توربین هیدرولیکی فرانسیس یکی از پرکاربردترین توربینهایِ هیدرولیکی هستند.آنها حدود ۶۰ درصد از ظرفیت توربین های برق آبی جهان را تشکیل میدهد و احتمالا دلیلش این است که آنها میتوانند به طور موثر درطیف گستردهای ازکاربردهاکار کنند.مهم ترین قسمت توربین فرانسیس بخش متحرک آن است.این قسمت با مجموعهای از تیغه های یک شکل نصب شدهاست.در قسمت متحرک آب بصورت شعاعی وارد می شود و به صورت دورانی حرکت می کند جریان آب باعث حرکت تیغه ها می شود.تیغه های توربینِ فرانسیس یک شکل خاص دارند آنها دارای یک سطح شبیه ایرفویل هستند پس وقتی جریان آب از روی آن عبور کند، یک طرف کم فشار و یک طرف پرفشار خواهد شد.
در نتیجه یک نیروی لیفت ایجاد میشود یک نکته جالب را به یاد داشته باشید آنها به شکل یک نوع پاکت در طرف خروجی هستند پس آب قبل از خروج از تیغه ها دارای یک نیروی محرکه است پس هر دو نیروی محرکه و نیروی لیفت باعث به حرکت در آمدن تیغه ها می شوند پس توربین فرانسیس یک توربین با نیروی واکنشی نیست و بخشی ازنیرو ازکنشگری مستقیم است از این رو وقتی آب روی تیغه ها جاری میشود هر دو انرژی جنبشی و فشاری آن افت خواهد کرد چون جریان به صورت شعاعی وارد میشود توربین جریان مختلط هم نیز نامیده میشوند قسمت متحرک توسط یک شفت برای تولید برق به ژنراتور متصل میشود این یک فکر مناسب برای محفظه حلزونی است جریان آب از طریق نازل وارد میشود دِبی ورودی درطول یک بازه زمانی که آب توسط تیغه ها کشیده میشود،کاهش پیداخواهد کرد اما کاهش مساحت بدنه محفظه حلزونی به ما این اطمینان را می دهد که جریان تقریبا با سرعت یکنواخت در حال اجرا است یک سری پره های ثابت و هدایت شونده در ورودی پروانه نصب شده هدف اصلی آنها تبدیل یک بخش از انرژی فشار به انرژی جنبشی است جریان آب ورودی در پشت پره های ثابت نگه داشته میشوند سپس پره های هدایت شونده جریان را به سمت ورودی پروانه هدایت میکنند پس به این ترتیب جریان ورودی کاهش می یابد
تاریخچه توربین فرانسیس
در حال حاضر، رایج‌ترین و محبوب‌ترین توربین در صنعت، توربین فرانسیس است. این توربین، از انواع عکس‌العملی به حساب می‌آید. تحقیقات روی توربین‌های عکس‌العملی از زمان «لئونارد اویلر» (Leonhard Euler) دانشمند سوئیسی در دهه ۱۷۵۰ میلادی آغاز شده بود. تا قبل از سال ۱۸۳۸، اصلاحات زیادی روی آن انجام شد. ولی در این سال «جیمز فرانسیس» (James B. Francis) مهندسی که اصلیتی انگلیسی-آمریکایی داشت، تغییراتی در ساختار این توربین اعمال کرد. فرانسیس، پره‌های راهنمای ثابت را اضافه کرد و شکل پره‌ها را طوری طراحی کرد تا آب بتواند با زاویه درست و بدون شوک (shock free)، وارد آنها شود. امروزه توربین فرانسیس در هِد (head)های متوسط و زیاد، بیشترین کاربرد را دارد.
بخش‌های توربین فرانسیس
بیشتر توربین‌های فرانسیس طوری ساخته میشوند که محورشان عمودی قرار بگیرد. برخی توربین‌های کوچکتر میتوانند محورهای افقی هم داشته باشند. در شرایطی که محدودیتی برای اندازه وجود نداشته باشد، توربین عمودی انتخاب اول است. شکل زیر، قسمت‌های مختلف توربین فرانسیس را نشان میدهد. شکل پره‌ها در توربین فرانسیس طوری است که می‌تواند به صورت همزمان از انرژی جنبشی و پتانسیل سیال برای تولید توان استفاده کند. در نتیجه، دیگر نگرانی برای افت هد وجود نخواهد داشت. در این قسمت، بخش‌های اصلی توربین فرانسیس را تشریح می‌کنیم.
محفظه حلزونی
محفظه حلزونی (spiral casing) که به عنوان غلاف حلزونی هم شناخته میشود، محلی برای ورود آب است. آب مخزن یا آب سد، از طریق همین مسیر و با فشار زیاد وارد توربین میشود. پره‌های توربین به صورت دایره‌ای قرار گرفته‌اند. بنابراین، آبی که قرار است به پره‌های توربین ضربه بزند، باید برای راندمان بهتر، در جهت چرخشی جریان پیدا کند. بدین منظور از محفظه حلزونی استفاده شده است. البته باید این موضوع را در نظر داشت که حرکت چرخشی موجب تلف شدن بخشی از فشار میشود. والوت (volute) و اسکرول (scroll) نام‌های دیگری است که به جای محفظه حلزونی به کار می‌روند.
پره‌های ثابت
پره‌های ثابت و راهنما، آب را به سمت پره‌های رانِر هدایت میکنند. وظیفه اصلی آنها این است که بخشی از انرژی پتانسیل سیال را در ورودی به انرژی جنبشی تبدیل کنند و سپس سیال را با زاویه دلخواه به سمت پره‌های رانر روانه سازند. پره‌های ثابت (stay vanes) در موقعیت خود ثابت می‌مانند و چرخش آب را که از جریان شعاعی ناشی شده، کاهش میدهد. در این حالت، راندمان توربین بالاتر می‌رود.
پره‌های راهنما
پره‌های راهنما (guide vanes) ثابت نیستند و با توجه به نیازمندی‌های مربوط به کنترل زاویه برخورد آب به پره‌های توربین، می‌توان زاویه آنها را تغییر داد. با این کار، راندمان هم بالا می‌رود. پره‌های راهنما، به عنوان دریچه‌های هادی (wicket gates) هم شناخته میشوند. از سوی دیگر، نرخ دبی آب هم به سمت پره‌های رانِر تنظیم میشود تا توان خروجی با توجه به بار توربین، قابل کنترل باشد.
پره‌های رانِر
عملکرد و راندمان توربین تا حد زیادی به چگونگی طراحی پره های رانِر (runner blades) وابسته است. در یک توربین فرانسیس، پره‌های رانر به دو بخش تقسیم میشوند. نیمه پایینی به شکل یک سطل کوچک ساخته میشود تا از نیروی ضربه آب برای چرخاندن توربین استفاده کند. اما نیمه بالایی از نیروی عکس‌العمل آب بهره می‌برد. این دو نیرو در کنار هم، موجب چرخیدن توربین میشوند. هنگام عبور آب از پره‌های رانر، از مومنتوم زاویه‌ای آب کاسته شده و روی محور توربین کار انجام میشود. در شرایط طراحی، جریان در راستای محوری از رانر خارج میشود. در شکل زیر، نمایی از پره‌های رانر در توربین فرانسیس را مشاهده می‌کنید. رانر در توربین فرانسیس معمولاً از حدود ۱۶ تا ۲۴ پره منحنی تشکیل میشود. جنس رانر برای هد کم، از چدن ریخته‌گری و برای هِدهای زیاد از آلیاژ فولاد انتخاب میشود. قطر رانر را می‌توان حداکثر تا ۷ متر هم طراحی کرد.
لوله رانش
در حالت کلی، فشار در خروجی رانر در توربین‌های عکس‌العملی، کمتر از فشار اتمسفر است. در نتیجه، آب نمی‌تواند مستقیماً در تونل پایاب (tail race) تخلیه شود. بدین منظور باید از لوله‌ای استفاده شود که سطح مقطعش آرام آرام افزایش می‌یابد. از این لوله برای تخلیه آب از نقطه خروجی توربین تا تونل پایاب استفاده میشود. این لوله، لوله رانش (draft tube) نام دارد که در برخی مقاله‌های فارسی، مانند نام انگلیسی آن، «درفت تیوب» هم خوانده میشود. یک سرِ لوله رانش به خروجی رانر وصل است و انتهای دیگرش درون تونل پایاب و پایین‌تر از سطح آب، مستغرق میشود. این کار، همچنین کمک می‌کند تا همیشه داخل توربین پر از آب باشد. در شکل زیر، محل نصب لوله رانش را به صورت شماتیک، مشاهده می‌کنید.
عملکرد توربین فرانسیس
همان‌طور که در بخش قبل گفتیم، آب از طریق محفظه حلزونی توربین، به سمت پره‌های ثابت و راهنما روانه میشود. قطر محفظه حلزونی، آرام آرام کم میشود تا قدری از افت فشار جریان جبران شود. اکنون آب به پره‌های ثابت می‌رسد. پره‌های ثابت، موجب میشوند تا چرخش از حرکت آب حذف شود و جریان آب، رفتار خطی و مستقیم پیدا کند. خطی بودن جریان آب، در مرحله بعد به کمک پره‌های راهنما خواهد آمد. زیرا منحرف کردن جریان خطی توسط این پره‌ها راحت‌تر انجام می‌گیرد. زاویه پره‌های راهنما، زاویه حمله را در پره‌های رانر تعیین می‌کند. از طرف دیگر، پره‌های رانر هم ثابتند و زاویه آنها قابل تغییر نیست. در نتیجه، با تنظیم پره‌های راهنما، می‌توان خروجی توان توربین را کنترل کرد. حداکثر توان خروجی توربین فرانسیس می‌تواند به ۳۵۰MWبرسد.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.