انرژی برق مورد نیاز در جهان از روشهای مختلفی استحصال میشود که در حال حاضر نیروگاههای حرارتی و آبی بیشترین سهم را در این زمینه دارا میباشند. به دلیل مشکلات و محدودیتهای تولید برق در نیروگاههای حرارتی (با سوخت فسیلی یا هستهای) و به لحاظ مسایل فنی، رعایت ضوابط و معیارهای زیست محیطی، محدودیت منابع و ...، در حال حاضر گرایش عمومی تولید برق در جهان، بیشتر متوجه احداث نیروگاههای برق آبی است كه به عنوان یکی از مهمترین منابع تامین انرژی مورد توجه جدی قرار گرفتهاند. برای تولید این نوع انرژی، نیاز به احداث سد بر روی رودخانه و استفاده از تجهیزات هیدرومكانیكی مناسب با پارامترهای طراحی میباشد. در كتاب حاضر كه ترجمهای از مجموعهای با عنوان "Mechanical Equipment" نوشته استاد بازنشسته دانشگاه علم و صنعت نروژ، آقای Arne Kjølle میباشد، تلاش شده است به اصول و مبانی تجهیزات هیدرومكانیكی در نیروگاههای برق آبی با نگاهی مهندسی پرداخته شود. امید است كتاب حاضر بتواند، با توجه به كمبود چنین منابعی به زبان فارسی، مورد استفاده فعالان صنعت برق آبی كشور قرار گیرد. بدیهی است كتاب حاضر با توجه به محتوی آن، خالی از لغزش و خطای علمی و چاپی نخواهد بود و انتظار میرود با همكاری استادان و دانش پژوهان این لغزشها و كاستیها مشخص و مرتفع گردد. در انتها از جناب آقای مهندس مرتضی ماروسی، كارشناس ارشد موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو و تمامی دوستانی كه ما را در نگارش كتاب حاضر یاری كرده اند، تشكر و قدردانی میشود. سیدمسعود تقوایی – یاسر برزنونی – حامد سركرده
مقدمه 13 2.1 اصول و تعاریف اولیه 13 2.2 تبدیل انرژی هیدرولیکی به انرژی مکانیکی 16 2.2.1 ملاحظات کلی 16 2.2.2 توربین ضربهای (پلتون) 17 2.2.3 توربینهای عکسالعملی (فرانسیس، کاپلان و حبابی) 21 2.2.4 معادله اساسی توربینها 26 2.3 مفاهیم مختصری از طراحی هیدرولیکی توربینها 28 2.4 بازدهی 31
فصل 3 دستهبندی توربینها – مشخصههای اصلی 33
مقدمه 33 3.1 ملاحظات اساسی تشابه 33 3.1.1 روابط تشابه 33 3.1.2 عدد سرعت 35 3.1.3 دستهبندی توربینها 37 3.1.4 منحنیهای عملکرد 38 3.1.5 خلا زایی و هد مکش 41 3.2 توربین پلتون 44 3.2.1 اندازههای هیدرولیکی اصلی 44 3.2.2 ابعاد جام پلتون 44 3.2.3 نمودار عملکرد 44 3.3 توربینهای فرانسیس 46 3.3.1 ابعاد هیدرولیکی اصلی 46 3.3.2 نمودار عملکرد 48 3.3.3 خلازایی، هد مکش و نسبت عکسالعمل 49 3.4 توربین کاپلان 51 3.4.1 ابعاد هیدرولیکی اصلی 51 3.4.2 نمودار عملکرد 52 3.4.3 خلا زایی، هد مکش و نسبت عکسالعمل 52 3.5 انتخاب توربین 53 3.5.1 انتخاب بین توربینهای پلتون و فرانسیس 54 3.5.2 انتخاب بین توربینهای کاپلان و فرانسیس 58
فصل 4 مبانی كنترلی 61
مقدمه 61 4.1 بازخورد سیستم کنترلی 62 4.2 دستگاههای تنظیم گاورنر 65 4.2.1 توابع نسبتی-انتگرالی- مشتقی (PID) 65 4.2.2 کاهش سرعت دائمی 65 4.3 نیازهای حاکم بر توربین 66 4.3.1 تنظیم فرکانس و بار 66 4.3.2 شروع و توقف، کنترل ترتیبی 67 4.3.3 قطع، بار برگشتی 67 4.3.4 حدود بار 67 4.4 ملزومات تنظیم توان نیروگاههای آبی 67 4.4.1 نوسانات جرم 68 4.4.2 افزایش فشار ضربه قوچ بر حسب زمان و سرعت بسته شدن 70 4.5 پایداری حاکم 75 4.5.1 حالتهای بهرهبرداری 75 4.5.2 حساب سرانگشتی 77
فصل 5 آزمایشهای كارایی 79
مقدمه 79 5.1 آزمایشهای مدل اصلی 80 5.1.1 اصولی برای آزمایش 80 5.1.2 اندازهگیری توان توربین 80 5.1.3 روشهایی برای اندازهگیری دبی 81 5.1.3.1 روش مولینه 81 5.1.3.2 لوله پیتوت 83 5.1.3.3 روش فشار- زمان یا روش گیبسون 84 5.1.3.4 روش ردیاب 86 5.1.3.5 روش مافوق صوت 88 5.1.3.6 سرریز 91 5.1.3.7 وسایل استاندارد شده اختلاف فشار 92 5.1.3.8 روش اندازهگیری حجمی 93 5.1.3.9 اندازهگیری نسبی دبی 93 5.1.4 اندازهگیری ترمودینامیکی افتهای جریان 94 5.1.4.1 اندازهگیری افتهای توان 94 5.1.4.2 بازدهی و انرژی مخصوص 95 5.1.4.3 روشهای اندازهگیری 97 5.1.4.4 تصحیحاتی برای نشتی و اصطکاک 98 5.1.5 خواص دینامیکی توربین 99 5.1.6 رفتار خلا زایی در نمونه اصلی 99 5.1.7 آزمون گاورنر– آزمونهای برگشتی 99 5.2 آزمونهای مدل و اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه اصلی 100 5.2.1 شرایط آزمایشگاهی 100 5.2.2 آزمونهای مدل 101 5.2.3 اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه واقعی 103
فصل 6 توربین پلتون 105
مقدمه 105 6.1 ترکیببندی توربین پلتون افقی 106 6.2 ترکیب بندی توربین پلتون قائم 107 6.3 اجزای اصلی توربین و وظایف آنها 108 6.2.1 چرخ دوار 109 6.2.2 محور توربین 111 6.2.3 یاتاقانهای شعاعی توربین 111 6.2.4 زانویی و توزیعکننده 112 6.2.5 تزریق کننده مستقیم جریان 114 6.2.6 مکانیزم منحرفکننده 115 6.2.7 محفظه توربین 116 6.3 کنترل شرایط 117 6.3.1 یاتاقانهای هادی توربین 117 6.3.2 چرخ دوار 117 6.3.3 تزریقکنندههای اصلی به همراه سوزنهای سرووموتور 117 6.3.4 حلقههای درزبندی در یاتاقانهای منحرف کننده 118 6.3.5 فیلتر 118 6.4 دستگاههای نمایش 118 6.5 مونتاژ و پیادهسازی قطعات 119
فصل 7 توربین فرانسیس 121
مقدمه 121 7.1 توربینهای فرانسیس افقی 122 7.2 توربینهای فرانسیس قائم 122 7.3 اجزای اصلی و وظایف آنها 124 7.3.1 حلزونی 125 7.3.2 زنجیره پرههای هادی 125 7.3.3 پوششهای توربین 125 7.3.4 چرخ دوار 126 7.3.5 محور و یاتاقان 126 7.3.6 درزبندهای محور 128 7.3.7 مکانیسم تنظیم 129 7.3.8 لوله مکش 130 7.4 ترکیببندی زهکشی و پر کردن 131 7.5 کنترل شرایط 132 7.6 تجهیزات نمایش 133 7.7 مونتاژ و تجزیه قطعات 134
مقدمه 189 12.1 سیستم فشار روغن 189 12.1.1 ساختار سیستم 190 12.1.2 عملکرد سیستم 196 12.2 سیستم تأمین هوا 197
فصل 13 نیروهای منتقل شدن به فنداسیون 201
مقدمه 201 13.1 توربینهای افقی 202 13.2 توربینهای قائم 202
فصل 14 دلایل خرابی 205
مقدمه 205 14.1 خلازایی 206 14.2 خوردگی در اثر برخورد ذرات شن 206 14.3 شکست مواد 208 14.4 خستگی 209
فصل 15 كنترل شرایط 213
مقدمه 213 15.1 فعالیتهای لازم برای توربین پلتون 214 15.2 فعالیتهای لازم برای توربین فرانسیس 215 15.3 فعالیتهای لازم برای توربین کاپلان و حبابی 216
فصل 16 تضمین كیفیت 219
مقدمه 219
منابع و مراجع 221
فهرست الفبایی 225
فهرست الفبایی
آزمایشهای كارایی 79 آزمایشهای مدل اصلی 80 آزمون گاورنر– آزمونهای برگشتی 99 آزمونهای مدل 101 آزمونهای مدل و اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه اصلی 100 ابعاد جام پلتون 44 ابعاد هیدرولیکی اصلی 46، 51 اثرات مقیاس بر روی بازدهی 100، 103 اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه واقعی 103 اجزاء اصلی و وظیفه آنها 138 اجزای اصلی 151 اجزای اصلی توربین و وظایف آنها 108 اجزای اصلی و وظایف آنها 124 اجزای دوار 154 اصطکاک 98 اصول کلی برای بازرسی شیرها 187 اصول و تعاریف اولیه 13 اصولی برای آزمایش 80 افتهای توان 94 افتهای جریان 94 افزایش فشار ضربه قوچ بر حسب زمان و سرعت بسته شدن 70 انتخاب بین توربینهای پلتون و فرانسیس 54 انتخاب بین توربینهای کاپلان و فرانسیس 58 انتخاب توربین 53 انتقال روغن 159 اندازهگیری افتهای توان 94 اندازهگیری ترمودینامیکی افتهای جریان 94 اندازهگیری توان توربین 80 اندازهگیری حجمی 93 اندازهگیری دبی 81 اندازهگیری نسبی دبی 93 اندازههای هیدرولیکی اصلی 44 انرژی مخصوص 95
ب
بار برگشتی 67 بازخورد سیستم کنترلی 62 بازخورد و لولهکشی روغن 158 بازدهی 31 بازدهی و انرژی مخصوص 95 بازرسی شیرها 187 برخورد ذرات شن 206 بهرهبرداری 75، 178
ر ردیاب 86 رفتار خلا زایی در نمونه اصلی 99 روابط تشابه 33 روش اندازهگیری حجمی 93 روش ردیاب 86 روش فشار- زمان یا روش گیبسون 84 روش گیبسون 84 روش مافوق صوت 88 روش مولینه 81 روشهای اندازهگیری 97 روشهایی برای اندازهگیری دبی 81
ز زانویی و توزیعکننده 112 زنجیره پرههای هادی 125، 138 زهکشی و پر کردن 131
س ساختار توربین کاپلان 136 ساختار سیستم 190 ساختار سیستم گاورنر 163 سرریز 91 سرووموتور 117 سرووموتور پرههای چرخ دوار 141 سرووموتور کنترل اصلی 168 سوزنهای سرووموتور 117 سیستم تأمین هوا 197 سیستم تنظیم پرههای هادی و پرههای چرخ دوار 143 سیستم فشار روغن 189 سیستم کنترل 180 سیستم کنترل شیر 171 سیستم کنترلی 62 سیستم گاورنر 163 سیستمهای تخلیه و پر کردن 147 سیستمهای سروو 165
ش شرایط آزمایشگاهی 100 شروع و توقف، کنترل ترتیبی 67 شکست مواد 208 شیرآلات 173 شیرهای پروانهای 180 شیرهای حلقوی 185 شیرهای کروی 174 شیرهای کشویی 184 شیرهای کنارگذر 186
ص صفحه شیر 181
ض ضربه قوچ 70 ضربهای (پلتون) 17
ط طراحی هیدرولیکی توربینها 28 طرح کلی نیروگاههای برق آبی 8
ع عدد سرعت 35 عکسالعملی (فرانسیس، کاپلان و حبابی) 21 عملکرد سیستم 196 عملکرد و ترکیب اصلی 169
ف فرانسیس 21، 46 فرانسیس افقی 122 فرانسیس قائم 122 فرکانس و بار 66 فشار روغن 189 فشار- زمان یا روش گیبسون 84 فشار ضربه قوچ 70 فعالیتهای لازم برای توربین پلتون 214 فعالیتهای لازم برای توربین فرانسیس 215 فعالیتهای لازم برای توربین کاپلان و حبابی 216 فنداسیون 201 فیلتر 118
ق قدیمیترین ماشینهای برق آبی 3 قطع، بار برگشتی 67
ك کاپلان 21، 51 کاپلان و حبابی 21 کاپلان و فرانسیس 58 کاهش سرعت دائمی 65 کشویی 184 کلیاتی برای توربینهای حبابی 161 کنارگذر 186 کنارگذر توربین فرانسیس 169 کنترل ترتیبی 67 کنترل دو طرفه توربینهای کاپلان/ حبابی 172 کنترل دوطرفه توربینهای پلتون 169 کنترل شرایط 117، 132، 147، 161 کنترل شیر 171 کنترل کنارگذر توربین فرانسیس 169 كاپلان 135 كنترل شرایط 213 كنترلكنندههای آنالوگ 164 كنترلكنندههای الکترومکانیکی 164 كنترلكنندههای دیجیتالی 165
م ماشینهای برق آبی 1 مافوق صوت 88 مبانی كنترلی 61 مجموعه انتقال روغن 159 محفظه توربین 116 محفظه چرخ دوار 143، 147، 161 محفظه چرخ دوار و مخروط لوله مکش 152 محفظه شیر 181 محفظه و چرخ دوار شیر 174 محور توربین 111، 144، 155 محور و یاتاقان 126 مخروط لوله مکش 152 مخروطی ثابت 151 معادله اساسی توربینها 26 مفاهیم مختصری از طراحی هیدرولیکی توربینها 28 مفصلهای مهار چرخ دوار و یاتاقانها 174 مکانیزم منحرفکننده 115 مکانیسم بازخورد و لولهکشی روغن 158 مکانیسم بهرهبرداری 178، 183 مکانیسم پرههای هادی 147، 159، 161 مکانیسم تنظیم 129 مکانیسم تنظیم پرههای چرخ دوار 142 ملاحظات اساسی تشابه 33 ملاحظات کلی 16 ملزومات تنظیم توان نیروگاههای آبی 67 منتقل شدن به فنداسیون 201 منحرفکننده 115 منحنیهای عملکرد 38 مولینه 81 مونتاژ و پیادهسازی 148، 162 مونتاژ و پیادهسازی قطعات 119 مونتاژ و تجزیه قطعات 134 مهار چرخ دوار و یاتاقانها 174 میز گاورنر 166
ن نسبت عکسالعمل 49، 52 نشتی و اصطکاک 98 نگاه اجمالی به ماشینهای برق آبی 3 نمودار عملکرد 44، 48، 52 نوسانات جرم 68 نیازهای حاکم بر توربین 66 نیروهای منتقل شدن به فنداسیون 201
و وسایل استاندارد شده اختلاف فشار 92
ه هد مکش 41 هد مکش و نسبت عکسالعمل 49، 52 همکاری سیستم تنظیم پرههای هادی و پرههای چرخ دوار 143