مقاله بررسی پدیده ی کاویتاسیون درتوربینهای هیدرولیکی

بخشی از مقاله

بررسی پدیده ي کاویتاسیون درتوربینهاي هیدرولیکی
چکیده
یکی از انواع انرژيهاي تجدید پذیر، انرژي برقآبی است که در میان انواع آن داراي بازده بالایی است. به علت هزینههاي بـالاي طراحی، ساخت و نصب قطعات نیروگاههاي برقآبی، نقش کلیدي آنها در تولید برق پیک و همچنین مسایل زیسـت محیطـی لزوم توجه به نحوهي نگهداري و جلوگیري از ایجاد خرابی و بر طرف نمودن آن دو چندان خواهد شد. از جمله عوامـل مهـم در طراحی، بهره برداري و تعمیرات توربینهاي هیدرولیکی پدیده ي کاویتاسیون است که به لحاظ زیست محیطی به جهت آسیب زدن به ماهیان حین عبور از توربین، کاهش راندمان توربین، افت انرژي دریافتی و آسیب فیزیکی به مجموعهي تـوربین بسـیار حایز اهمیت است. این پدیده میتواند در انواع مختلف توربینهاي عکس العملی به شکلهاي مختلفی رخ دهـد. در ایـن مقالـه علاوه بر تشریح انواع کاویتاسیون در توربینهاي فرانسیس و کاپلان و شرایط مختلف رخ دادن ایـن پدیـده، راهکارهـایی جهـت جلوگیري از کاویتاسیون در مرحلهي طراحی و بهره برداري ارایه شده است.
واژههاي کلیدي: کاویتاسیون، توربینهاي هیدرولیکی، انواع کاویتاسیون

-1 مقدمه
کاویتاسیون یکی از عوامل مهم فرسایش ماشین هاي هیدرولیکی است که کاهش عمر این ماشین ها را در پـی خواهـد داشـت. احتمال وقوع این پدیده هنگامی است که فشار دینامیکی سیال در دماي ثابـت بـه فشـار بخـار کـاهش یابـد. در ایـن وضـعیت حفرههاي بخار در سیال ایجاد شده و گسترش مییابد. وجود حفره بخار، شکل مؤثر مجراي جریان را تغییر میدهد و به دنبـال آن میدان فشار محلی تغییر یافته و جریان ناپایدار میگردد. ناپایداري جریان، رشد سیکلی و متلاشـی شـدن حفـرههـاي بخـار باعث ارتعاش و لرزش ماشین خواهد شد. فرآیند انفجار حباب ها در زمانی بسیار کوتاه در حدود نانو ثانیه انجـام مـیشـود و در نتیجه منجر به انفجار شوکی با دامنه بزرگ میگردد. این میکروجت مایع با سرعت بالا به طرف مرزها حرکت مـیکنـد. انفجـار میتواند در نزدیکی سطح جامد اتفاق بیفتد. اگر دامنه پـالس فشـار نهـایی از محـدوده مقاومـت مکـانیکی مـواد بیشـتر شـود، حفرههایی با عمق میکرومتر که چاله نامیده میشوند بر روي سطح ایجاد خواهندشد. در صورت تجمع این چالـههـا در سـطوح باریک آن ناحیه ساییده میشود. از بین رفتن ماده میتواند به صورت تکراري و در نتیجهي انفجارهاي دیگر اتفاق بیفتد. شـدت فرسایش ممکن است به اندازهاي باشد که ماشین ساخته شده از مـواد شـکننده بـا مقاومـت پـایین را تخریـب نمایـد. افـزایش سرعتهاي محلی جریان احتمال وقوع کاویتاسیون را افزایش میدهد. از جملهي علایم وقوع کاویتاسـیون ایجـاد صـداي زیـاد (صدایی شبیه به عبور شن از میان توربین) است.
در سالهاي اخیر پدیده ي کاویتاسیون به دو دلیل افزایش یافته است. دلیل نخسـت آن، افـزایش قـدرت خروجـی تـوربین بـه وسیلهي کاهش ابعاد (به منظور کاهش قیمـت تجهیـزات) اسـت. کـاهش ابعـاد بـه معنـاي افـزایش سـرعت و کـاهش ضـریب کاویتاسیون است. دوم، با توجه به شرایط بازار و شبکه، تولید نیروگاه برقآبی در بـازهاي خـارج از محـدودهي بهتـرین عملکـرد اتفاق میافتد. بهرهبرداري در شرایطی غیر از شرایط تعریف شده منجر به افزایش کاویتاسیون خواهد شد. بـا ترکیـب دو عامـل فوق میزان خطر پذیري ناشی از ماشینهاي هیدرولیکی تعیین میگـردد. بـا توجـه بـه اینکـه اعمـال روشهـاي تصـحیحی در واحدهاي موجود بسیار مشکل است، جهت تشخیص کاویتاسیون و جلوگیري از موقعیتهاي خطرناك در حین بهـرهبـرداري از سیستمهاي هشدار استفاده میشود.
معمولاً در ماشینهاي هیدرودینامیکی از سه روش زیر جهت تشخیص کاویتاسیون استفاده میشود 1) و :(2 -1 مشاهده عینی یا عکسبرداري از ذرات بخار یا حباب روي پروانه
-2 اندازهگیري صدا و ارتعاشاتی که با کار دستگاه همراه هستند. امروزه به کمک دستگاههـاي پیچیـده و پیشـرفته، روشهـاي ابتدایی تشخیص کاویتاسیون در ماشینها، به روشهاي دقیقی تبدیل شدهاند.

-3 تغییر در مشخصههاي ماشین که عبارتند از هد، قدرت، ظرفیت و بازده. البته این روش دقیق نیسـت ولـی هنـوز هـم تنهـا روشی است که به میزان وسیعی از آن استفاده میشود.

-2 انواع کاویتاسیون
کاویتاسیون در توربینهاي عکس العملی میتواند به شکلهاي مختلفی نمایان شود که در این بخش به آن پرداختـه مـیشـود 3) و .(4

-2-1 حبابهاي سیار 1
حبابهامعمولاً اطراف هستهاي به ابعاد میکرون در ناحیه با فشار پایین سیال ظاهر میشوند. (قسمت (a) شکل .(1 بـا حرکـت سیال و رسیدن به ناحیه با گرادیان فشار بالا، حبابها از درون متلاشی میگردند. این حبابها به شدت تحت تأثیر هواي درون سیال هستند. با این همه قدرت فرسایش آنها به نسبت ضعیف است. فرمولهاي ارایه شده جهت محاسبه قطر حبابها مقادیر تقریبی را ارایه مینمایند زیرا از تأثیرات ویسکوزیته و تنش سطحی صرفنظر شده و فرض بر این است کـه درون حبـاب بخـار میباشد. همچنین محدودیت دیگر این فرضیات، کروي در نظر گرفتن حبابهااست که غالباً از واقعیتهاي مربـوط بـه جریـان کاویتاسیون به خصوص در نزدیکی مرز به دور است. بنابراین در کارهـاي آزمایشـگاهی لازم اسـت مشخصـههـاي دینـامیکی و صوتی مربوط به برخورد حبابها با یکدیگر در جریان واقعی مورد بررسی قرار گیرد. این نوع کاویتاسیون از انواع پر سـرو صـدا است که میتواند به اندازه قابل ملاحظهاي راندمان ماشین را کاهش دهد. انفجار این حبابها فرکـانسهـاي بـالاتر از 10 کیلـو هرتز و بالاتر از صدها کیلو هرتز را تولید نموده و داراي بیشترین دامنه است. کاویتاسیون حبابی بـه شـدت بـه تـراز قرارگیـري ماشین بستگی دارد و حتی در بهترین نقطه راندمان نیز میتواند بوجود آید(3و.(5

-2-2 کاویتاسیون الحاقی2
کاویتاسیون میتواند به شکل میکرو حفرههایی باشد که بعد از ایجاد، به سـطوح جامـد درون سـیال متصـل شـود. ایـن نـوع از کاویتاسیون به صورت جزیی، از لبهي راهنما در سوي مکش هیدروفویل با زاویه حمله مثبـت رشـد نمـوده و از نـوع متـداول و پیچیده آن است که میتواند رژیمهاي متفاوتی وابسته به شرایط هیدرودینامیکی بوجود آورد. یکی از این رژیمهـا کاویتاسـیون ورقهاي3 است که بوسیله حفرههاي پایدار نازك با سطوح مشترك صاف و شفاف مشخص میشود. رژیم دیگر، کاویتاسیون ابري است و نشان دهنده ناپایداري شدید و رفتار ضربانی است و نوسانهاي قابل توجهی را ایجاد مـینمایـد ( مرکـز شـکل .(1 حـد فاصل حفرهها موج مانند و آشفته است و U بزرگی حفرهها را منتقل میکند. این ابر در پایین دست و در سطوح جامد منفجـر میشود. این نوع از کاویتاسیون بدترین شکل آن و با قدرت فرسایش بالا است و به هنگام ایجاد در توربوماشین میتوانـد منجـر به رفتار دینامیکی غیر عادي و فرسایش جدي گردد 3)و.(5

-2-3 کاویتاسیون گردابی4
نواحی از سیال با گرداب متمرکز میتوانند حفرههایی را در هسته مرکزي خود و در نواحی بـا فشـار پـایین ایجـاد نماینـد. اگـر لبههاي بخار گردابی به سطوح جامد برخورد نماید به دلیل ایجاد انفجار بر روي سطح، فرسایش ایجاد خواهد شد. مثال معمول این نوع کاویتاسیون، گرداب فون کارمن است که در انتهاي لبههـاي هیـدروفویل ایجـاد مـیشـود ( شـکل 1، سـمت راسـت). همچنین کاویتاسیون گردابی میتواند در کانالهاي سیال ماشینهاي هیدرولیکی به هنگامی که در بار جزیی مورد بهرهبـرداري قرار میگیرند ایجاد شود.

خط گرداب، یک گرداب مارپیچی است که کاویتاسیون در هسته آن رخ میدهد و حجم حفرههاي آن با میزان پایین بودن تراز فشار متفاوت است. فرکانس این خط به مقدار ضریب کاویتاسیون بستگی دارد. اگر فرکانس ناشی از این گردابهـا بـا فرکـانس طبیعی سیستم منطبق شود، میتواند باعث شکست و تخریب گردد 3)، 6و.(7 ماگزیمم فاز در بخش داخلی زانویی قـرار دارد و در مکانی است که برخورد میان خط گرداب و دیوار اتفاق میافتد از این مکان امواج فشاري به طرف بالا دست و پـایین دسـت سیستم حرکت میکنند .(8) این نوع از کاویتاسیون به هنگام بهره برداري در غیر از نقطه طراحی و در بار جزیی و علاوه بر آن در بارهاي بالا ایجاد میشود. در این حالت ضربانهاي فشار شدید و منظمی ایجاد میگردد .(9)

-3 کاویتاسیون در توربینهاي هیدرولیکی
کاویتاسیون نقش مهمی را در توربینهاي عکس العملی نظیر کاپلان و فرانسیس ایفا مینماید. تفاوت اصلی میـان تـوربینهـاي کاپلان و فرانسیس در طراحی رانر آنها است (به ترتیب محوري و شعاعی). طراحی رانر علاوه بر اینکه بـه پدیـده کاویتاسـیون بستگی دارد به دو عامل دیگر از جمله تراز قرارگیري ماشین (هد مکش) و شرایط بهرهبـرداري در غیـر از نقطـه طراحـی نیـز بستگی دارد. توربینهاي آبی به گونهاي طراحی میشوند که بیشترین راندمان را براي هد و نرخ جریان معین داشته باشند امـا میتوانند در نقطهاي غیر از نقطهي طراحی نیز کار کنند. نرخ جریان بوسیله باز و یا بسته کردن زاویهي پره راهنما،  ، جهـت تنظیم قدرت خروجی قابل تغییر است ( شکل .(2 این تغییرات داراي تأثیر مستقیم بر روي سینماتیک جریان حول رانر دارد و در نتیجه کاویتاسیون را متأثر از خود مینمایند. اگر هد افزایش یابد براي یک بازشدگی معین پره راهنمـا،  ، سـرعت مطلـق جریان C1 افزایش یافته و زاویه ورودي براي شرایط طراحی، بسیار کوچک و نزدیک به صفر خواهد شد. بـه همـین ترتیـب بـا بهره برداري از ماشین در هدهاي بالاتر "کاویتاسیون الحاقی" در ناحیه مکش تیغهها بوجود خواهد آمد .(12) طبیعی است کـه با تغییر شرایط ورودي، بردارهاي خروجی نیز تغییر نمایند. به عنوان مثال بردار سرعت C2 داراي راستاي شـعاعی در بهتـرین نقطه راندمان است که میتواند به مؤلفه محیطی تغییر یابد و بدین ترتیب جریان درون درافت تیوب را تغییر دهد. براي هر نوع توربین آبی، شکلهاي مختلف کاویتاسیون علاوه بر طراحی تیغه به نقطه عملکردي یا مقدار عدد توما نیـز بسـتگی دارد 1)، 2، 3، 4، 5، 9، 10، 11، 12، 13، 14، 15، 16، 17 و .(18

-3-1 کاویتاسیون در توربین فرانسیس
شکلهاي اصلی کاویتاسیون در توربینهاي فرانسیس در این بخش توضیح داده میشوند 3)، 4، 5، 6، 7 و .(8

-3-1-1 کاویتاسیون لبه ورودي5
در زمان بهره برداري هنگامی که هد بالاتر از هد طراحی ماشین باشد زاویه ورودي سیال بزرگ و انحراف آن از مقدار طراحـی زیاد است، در این حالت کاویتاسیون الحاقی بر روي طرف مکش تیغههاي رانر ایجاد میشـود (بخـش 1) )، شـکلهـاي 3 و .(4 همچنین این وضعیت در زمان بهرهبرداري در هدهاي پایینتر از هد طراحی و در ناحیه فشار به هنگامی که زاویه تلاقی منفـی است اتفاق میافتد. این نوع کاویتاسیون یکی از انواع مهم آن است که فرسایش عمیقی بر روي تیغههـا ایجـاد کـرده و موجـب نوسانهاي فشار میشود .(5) این نوع از کاویتاسیون بیشتر متأثر از هندسـهي تیغـه و زاویـهي ورودي اسـت و مقـدار ضـریب کاویتاسیون چندان تأثیري بر آن ندارد. این موضوع بدین معنی است که افزایش زیاد مقدار ضریب کاویتاسیون جهت جلوگیري از این نوع کاویتاسیون منجر به هزینههاي غیر قابل قبول خواهد شد .(4 ) این نـوع از کاویتاسـیون در شـرایط بهـرهبـرداري در نقاطی غیر از نقطهي طراحی غیر قابل اجتناب خواهد بود و در این موارد عـدد " تومـا" بـه گونـهاي محاسـبه مـیشـود کـه کاویتاسیون در محدوده قابل قبول باشد.

-3-1-2 کاویتاسیون حبابهاي سیار
این نوع از کاویتاسیون به شکل حبابهاي جداگانهاي است که در سوي مکش تیغـههـا در نزدیکـی وتـر میـانی و در مجـاورت انتهاي لبهها به تیغهها متصل میشوند (بخش (2)، شکلهاي3 و .(4

شکل -4 شماتیکی از رانر توربین فرانسیس: ( سمت چپ) انواع مختلف کاویتاسیون و مکان گیرندهها6، (1) کاویتاسیون لبـه ورودي، (2) کاویتاسیون حبابهاي سیار، (3) گرداب در درافت تیوب،( (4 کاویتاسیون گردابی میان تیغـه اي، ( 5) کاویتاسـیون گردابـی فـون کـارمن، (سمت راست) مکانهاي ممکن اندازه گیري، جاسازي شده بر روي یاتاقان، شفت، پره راهنما، تیغه و درافـت تیـوب ( کـه فقـط در پـایین مخروط قرار داده میشود).[3]

حبابهاي سیار به دلیل ضریب کاویتاسیون نیروگاهی پایین پدیدار میشوند و با رسیدن بار به حد ماگزیمم خـود در شـرایطی که ماشین در شرایط فوق بار و با بالاترین نرخ جریان عمل میکند رشد میکنند. این نوع کاویتاسیون از نوع شـدید و پـر صـدا است و راندمان را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد. با انفجار حبابها فرسایش بر روي تیغهها ایجاد میگردد. بـا توجـه بـه شرایط بهرهبرداري، این نوع کاویتاسیون بسیار به عدد توما حساس است به همین دلیل مقدار 7 NPSE نیروگاه بر اساس ایـن نوع از کاویتاسیون محاسبه میشود.

-3-1-3 گرداب در درافت تیوب

این وضعیت یک نوع کاویتاسیون با جریان گردابی در هسته مرکزي است که تنها در زیر مخروط رانـر در مرکـز درافـت تیـوب شکل میگیرد (بخش (3)، شکلهاي 3 و .(4 حجم آن به ضریب کاویتاسیون نیروگاه بستگی دارد و به هنگـام بـار جزیـی و یـا فوق بار پدیدار میشود. در بار جزیی، جهت چرخش این گرداب در همان راستاي چرخش رانر و در حالت فوق بـار در راسـتاي خلاف چرخش رانر است. از 50 تا 80 درصد نرخ جریان در بهترین راندمان، هسته گرداب شکل مارپیچی به خـود مـیگیـرد و چرخش آن در حدود 0/25 تا 0/35 برابر سرعت چرخش رانر است. در این فرکانس پایین ضربانهاي فشار محیطی ایجاد می- شود. در صورتی که فرکانس چرخش منطبق با یکی از فرکانسهاي طبیعی درافت تیوب و یا پنستاك شود، نوسانهاي شدیدي اتفاق