مقدمه مترجمين
انرژی برق مورد نياز در جهان از روشهاي مختلفی استحصال ميشود که در حال حاضر نیروگاههاي حرارتی و آبی بیشترین سهم را در اين زمينه دارا ميباشند. به دلیل مشکلات و محدودیتهاي تولید برق در نیروگاههاي حرارتی (با سوخت فسیلی یا هستهای) و به لحاظ مسایل فني، رعایت ضوابط و معیارهای زیست محیطی، محدودیت منابع و ...، در حال حاضر گرایش عمومی تولید برق در جهان، بیشتر متوجه احداث نیروگاههاي 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 تجهيزات هيدرومكانيكي مناسب با پارامترهاي طراحي ميباشد. در كتاب حاضر كه ترجمهاي از مجموعهاي با عنوان "Mechanical Equipment" نوشته استاد بازنشسته دانشگاه علم و صنعت نروژ، آقاي Arne Kjølle ميباشد، تلاش شده است به اصول و مباني تجهيزات هيدرومكانيكي در نيروگاههاي برق آبي با نگاهي مهندسي پرداخته شود.
اميد است كتاب حاضر بتواند، با توجه به كمبود چنين منابعي به زبان فارسي، مورد استفاده فعالان صنعت برق آبي كشور قرار گيرد. بديهي است كتاب حاضر با توجه به محتوي آن، خالي از لغزش و خطاي علمي و چاپي نخواهد بود و انتظار ميرود با همكاري استادان و دانش پژوهان اين لغزشها و كاستيها مشخص و مرتفع گردد. در انتها از جناب آقاي مهندس مرتضي ماروسي، كارشناس ارشد موسسه تحقيقات آب وزارت نيرو و تمامي دوستاني كه ما را در نگارش كتاب حاضر ياري كرده اند، تشكر و قدرداني ميشود.
سيدمسعود تقوايي – ياسر برزنوني – حامد سركرده
پاييز 1391
فهرست مطالب
فصل 1 ماشينهاي برق آبي 1
مقدمه 1
1.1 نگاه اجمالی به ماشینهاي برق آبی 3
1.1.1 قدیمیترين ماشینهاي برق آبی 3
1.1.2 توربین 5
1.2 طرح کلی نیروگاههاي برق آبی 8
فصل 2 تبديل انرژي 13
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 ضربهاي (پلتون) 17
2.2.3 توربینهاي 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 دستهبندي توربينها – مشخصههاي اصلي 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 منحنیهاي عملکرد 38
3.1.5 خلا زايي و هد مکش 41
3.2 توربین پلتون 44
3.2.1 اندازههاي هیدرولیکی اصلی 44
3.2.2 ابعاد جام پلتون 44
3.2.3 نمودار عملکرد 44
3.3 توربینهاي فرانسیس 46
3.3.1 ابعاد هیدرولیکی اصلی 46
3.3.2 نمودار عملکرد 48
3.3.3 خلازايي، 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 زايي، هد مکش و نسبت عکسالعمل 52
3.5 انتخاب توربین 53
3.5.1 انتخاب بین توربینهاي پلتون و فرانسیس 54
3.5.2 انتخاب بین توربینهاي کاپلان و فرانسیس 58
فصل 4 مباني كنترلي 61
مقدمه 61
4.1 بازخورد سیستم کنترلی 62
4.2 دستگاههاي 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 نیروگاههاي 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 حالتهاي بهرهبرداری 75
4.5.2 حساب سرانگشتی 77
فصل 5 آزمايشهاي كارايي 79
مقدمه 79
5.1 آزمایشهاي مدل اصلی 80
5.1.1 اصولی برای آزمایش 80
5.1.2 اندازهگیری توان توربین 80
5.1.3 روشهايي 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 اندازهگيري حجمی 93
5.1.3.9 اندازهگيري نسبی دبی 93
5.1.4 اندازهگيري ترمودینامیکی افتهاي جریان 94
5.1.4.1 اندازهگيري افتهاي توان 94
5.1.4.2 بازدهی و انرژی مخصوص 95
5.1.4.3 روشهاي اندازهگيري 97
5.1.4.4 تصحیحاتی برای نشتی و اصطکاک 98
5.1.5 خواص دینامیکی توربین 99
5.1.6 رفتار خلا زايي در نمونه اصلی 99
5.1.7 آزمون گاورنر– آزمونهاي برگشتی 99
5.2 آزمونهاي مدل و اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه اصلی 100
5.2.1 شرایط آزمایشگاهی 100
5.2.2 آزمونهاي مدل 101
5.2.3 اثرات مقیاس بر روی بازدهی، از مدل تا نمونه واقعی 103
فصل 6 توربين 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 یاتاقانهاي 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 یاتاقانهاي هادی توربین 117
6.3.2 چرخ دوار 117
6.3.3 تزریقکنندههاي اصلی به همراه سوزنهاي سرووموتور 117
6.3.4 حلقههاي درزبندی در یاتاقانهاي منحرف کننده 118
6.3.5 فیلتر 118
6.4 دستگاههاي نمایش 118
6.5 مونتاژ و پیادهسازی قطعات 119
فصل 7 توربين فرانسيس 121
مقدمه 121
7.1 توربینهاي فرانسیس افقی 122
7.2 توربینهاي فرانسیس قائم 122
7.3 اجزای اصلی و وظایف آنها 124
7.3.1 حلزونی 125
7.3.2 زنجیره پرههاي هادی 125
7.3.3 پوششهاي 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
فصل 8 توربين كاپلان 135
مقدمه 135
8.1 ساختار توربين كاپلان 136
8.1.1 تركيببندي 136
8.1.2 ساختار توربین کاپلان 136
8.2 اجزاء اصلی و وظیفه آنها 138
8.2.1 حلزونی 138
8.2.2 زنجیره پرههاي هادی 138
8.2.3 پوششها 140
8.2.4 چرخ دوار 140
8.2.5 سرووموتور پرههاي چرخ دوار 141
8.2.6 مکانیسم تنظیم پرههاي چرخ دوار 142
8.2.7 همکاری سیستم تنظیم پرههاي هادی و پرههاي چرخ دوار 143
8.2.8 محفظه چرخ دوار 143
8.2.9 محور توربین 144
8.2.10 یاتاقان توربین 144
8.2.11 جعبه آب بند محور 145
8.2.12 لوله مکش 146
8.3 سیستمهاي تخلیه و پر کردن 147
8.4 کنترل شرایط 147
8.4.1 چرخ دوار 147
8.4.2 محفظه چرخ دوار 147
8.4.3 مکانیسم پرههاي هادی 147
8.4.4 جعبه درزبند محور 147
8.5 تجهیزات نمایش 148
8.6 مونتاژ و پیادهسازی 148
فصل 9 توربين حبابي 149
مقدمه 149
9.1 ترکیب کلی 150
9.2 اجزای اصلی 151
9.2.1 مخروطی ثابت 151
9.2.2 محفظه چرخ دوار و مخروط لوله مکش 152
9.2.3 دریچه ژنراتور 152
9.2.4 پوسته ثابت 153
9.2.5 اجزاي دوار 154
9.2.5.1 چرخ دوار 154
9.2.5.2 محور توربین 155
9.2.6 جعبه درزبند محور 156
9.2.7 یاتاقانهاي توربین 157
9.2.8 مکانیسم بازخورد و لولهکشی روغن 158
9.2.8.1 مجموعه انتقال روغن 159
9.2.9 مکانیسم پرههاي هادی 159
9.3 کنترل شرایط 161
9.3.1 چرخ دوار 161
9.3.2 محفظه چرخ دوار 161
9.3.3 مکانیسم پرههاي هادی 161
9.3.4 جعبه درزبند چرخ دوار 161
9.3.5 کلیاتی برای توربینهاي حبابی 161
9.4 تجهیزات نمایش 162
9.5 مونتاژ و پیادهسازی 162
فصل 10 گاورنر 163
10.1 ساختار سیستم گاورنر 163
10.2 كنترلكنندههاي الکترومکانیکی 164
10.2.1 كنترلكنندههاي آنالوگ 164
10.2.2 كنترلكنندههاي دیجیتالی 165
10.3 سیستمهاي سروو 165
10.3.1 میز گاورنر 166
10.3.2 سرووموتور کنترل اصلی 168
10.4 تجهیزات کنترلی خاص توربین 169
10.4.1 کنترل دوطرفه توربینهاي پلتون 169
10.4.2 کنترل کنارگذر توربین فرانسیس 169
10.4.2.1 عملکرد و ترکیب اصلی 169
10.4.2.2 سیستم کنترل شیر 171
10.4.3 کنترل دو طرفه توربینهاي کاپلان/ حبابی 172
فصل 11 شيرآلات 173
مقدمه 173
11.1 شیرهای کروی 174
11.1.1 محفظه و چرخ دوار شیر 174
11.1.2 مفصلهاي مهار چرخ دوار و یاتاقانها 174
11.1.3 درزبندهای شیر بسته 176
11.1.3.1 درزبند اصلی 177
11.1.3.2 درزبند کمکی 178
11.1.4 مکانیسم بهرهبرداری 178
11.1.4 سیستم کنترل 180
11.2 شیرهای پروانهای 180
11.2.1 محفظه شیر 181
11.2.2 صفحه شیر 181
11.2.3 یاتاقان 182
11.2.4 درزبند 183
11.2.5 مکانیسم بهرهبرداری 183
11.3 شیرهای کشویی 184
11.4 شیرهای حلقوی 185
11.5 شیرهای کنارگذر 186
11.6 اصول کلی برای بازرسی شیرها 187
فصل 12 تجهيزات كمكي 189
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 نيروهاي منتقل شدن به فنداسيون 201
مقدمه 201
13.1 توربینهاي افقی 202
13.2 توربینهاي قائم 202
فصل 14 دلايل خرابي 205
مقدمه 205
14.1 خلازايي 206
14.2 خوردگی در اثر برخورد ذرات شن 206
14.3 شکست مواد 208
14.4 خستگی 209
فصل 15 كنترل شرايط 213
مقدمه 213
15.1 فعالیتهاي لازم برای توربین پلتون 214
15.2 فعالیتهاي لازم برای توربین فرانسیس 215
15.3 فعالیتهاي لازم برای توربین کاپلان و حبابی 216
فصل 16 تضمين كيفيت 219
مقدمه 219
منابع و مراجع 221
فهرست الفبايي 225
فهرست الفبايي
آزمايشهاي كارايي 79
آزمایشهاي مدل اصلی 80
آزمون گاورنر– آزمونهاي برگشتی 99
آزمونهاي مدل 101
آزمونهاي 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
اجزاي دوار 154
اصطکاک 98
اصول کلی برای بازرسی شیرها 187
اصول و تعاریف اولیه 13
اصولی برای آزمایش 80
افتهاي توان 94
افتهاي جریان 94
افزایش فشار ضربه قوچ بر حسب زمان و سرعت بسته شدن 70
انتخاب بین توربینهاي پلتون و فرانسیس 54
انتخاب بین توربینهاي کاپلان و فرانسیس 58
انتخاب توربین 53
انتقال روغن 159
اندازهگيري افتهاي توان 94
اندازهگيري ترمودینامیکی افتهاي جریان 94
اندازهگیری توان توربین 80
اندازهگيري حجمی 93
اندازهگیری دبی 81
اندازهگيري نسبی دبی 93
اندازههاي 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
پ
پایداری حاکم 75
پرههاي چرخ دوار 141
پرههاي هادی 125، 138، 159
پلتون 17، 44، 105
پلتون افقی 106
پلتون قائم 107
پلتون و فرانسیس 54
پوسته ثابت 153
پوششها 140
پوششهاي توربین 125
پیادهسازی قطعات 119
پیتوت 83
ت
تأمین هوا 197
تبديل انرژي 13
تبدیل انرژی هیدرولیکی به انرژی مکانیکی 16
تجزیه قطعات 134
تجهیزات کنترلی خاص توربین 169
تجهيزات كمكي 189
تجهیزات نمایش 133، 148، 162
ترکیب بندی توربین پلتون قائم 107
ترکیب کلی 150
ترکیببندی توربین پلتون افقی 106
ترکیببندی زهکشی و پر کردن 131
تركيببندي 136
تزریق کننده مستقیم جریان 114
تزریقکنندههاي اصلی به همراه سوزنهاي سرووموتور 117
تشابه 33
تصحیحاتی برای نشتی و اصطکاک 98
تضمين كيفيت 219
تنظیم پرههاي چرخ دوار 142
تنظیم توان نیروگاههاي آبی 67
تنظیم فرکانس و بار 66
تنظیم گاورنر 65
توابع نسبتی-انتگرالی- مشتقی (PID) 65
توان توربین 80
توربین 5
توربین پلتون 44، 105
توربین پلتون افقی 106
توربین پلتون قائم 107
توربين حبابي 149
توربین ضربهاي (پلتون) 17
توربين فرانسيس 121
توربین کاپلان 51، 135
توربینهاي افقی 202
توربینهاي حبابی 161
توربینهاي عکسالعملی (فرانسیس، کاپلان و حبابی) 21
توربینهاي فرانسیس 46
توربینهاي فرانسیس افقی 122
توربینهاي فرانسیس قائم 122
توربینهاي قائم 202
توربینهاي کاپلان/ حبابی 172
توزیعکننده 112
ج
جام پلتون 44
جعبه آب بند محور 145
جعبه درزبند چرخ دوار 161
جعبه درزبند محور 147، 156
چ
چرخ دوار 109، 117، 126، 140، 147، 152، 154، 161
چرخ دوار شیر 174
چرخ دوار و یاتاقانها 174
ح
حالتهاي بهرهبرداری 75
حبابی 21، 149
حدود بار 67
حساب سرانگشتی 77
حلزونی 125، 138
حلقوی 185
حلقههاي درزبندی در یاتاقانهاي منحرفکننده 118
خ
خستگی 209
خلا زايي و هد مکش 41
خلا زايي، هد مکش و نسبت عکسالعمل 52
خلازايي 206
خلازايي، هد مکش و نسبت عکسالعمل 49
خواص دینامیکی توربین 99
خوردگی در اثر برخورد ذرات شن 206
د
دبی 81
در اثر برخورد ذرات شن 206
درزبند 183
درزبند اصلی 177
درزبند کمکی 178
درزبند محور 156
درزبندهای شیر بسته 176
درزبندهای محور 128
درزبندی 118
دریچه ژنراتور 152
دستگاههاي تنظیم گاورنر 65
دستگاههاي نمایش 118
دستهبندی توربینها 37
دستهبندي توربينها – مشخصههاي اصلي 33
دلايل خرابي 205
ذ
ذرات شن 206
ر
ردیاب 86
رفتار خلا زايي در نمونه اصلی 99
روابط تشابه 33
روش اندازهگيري حجمی 93
روش ردیاب 86
روش فشار- زمان یا روش گیبسون 84
روش گیبسون 84
روش مافوق صوت 88
روش مولینه 81
روشهاي اندازهگيري 97
روشهايي برای اندازهگیری دبی 81
ز
زانویی و توزیعکننده 112
زنجیره پرههاي 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 پرههاي چرخ دوار 141
سرووموتور کنترل اصلی 168
سوزنهاي سرووموتور 117
سیستم تأمین هوا 197
سیستم تنظیم پرههاي هادی و پرههاي چرخ دوار 143
سیستم فشار روغن 189
سیستم کنترل 180
سیستم کنترل شیر 171
سیستم کنترلی 62
سیستم گاورنر 163
سیستمهاي تخلیه و پر کردن 147
سیستمهاي سروو 165
ش
شرایط آزمایشگاهی 100
شروع و توقف، کنترل ترتیبی 67
شکست مواد 208
شيرآلات 173
شیرهای پروانهای 180
شیرهای حلقوی 185
شیرهای کروی 174
شیرهای کشویی 184
شیرهای کنارگذر 186
ص
صفحه شیر 181
ض
ضربه قوچ 70
ضربهاي (پلتون) 17
ط
طراحی هیدرولیکی توربینها 28
طرح کلی نیروگاههاي 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
فعالیتهاي لازم برای توربین پلتون 214
فعالیتهاي لازم برای توربین فرانسیس 215
فعالیتهاي لازم برای توربین کاپلان و حبابی 216
فنداسيون 201
فیلتر 118
ق
قدیمیترين ماشینهاي 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 توربینهاي حبابی 161
کنارگذر 186
کنارگذر توربین فرانسیس 169
کنترل ترتیبی 67
کنترل دو طرفه توربینهاي کاپلان/ حبابی 172
کنترل دوطرفه توربینهاي پلتون 169
کنترل شرایط 117، 132، 147، 161
کنترل شیر 171
کنترل کنارگذر توربین فرانسیس 169
كاپلان 135
كنترل شرايط 213
كنترلكنندههاي آنالوگ 164
كنترلكنندههاي الکترومکانیکی 164
كنترلكنندههاي دیجیتالی 165
گ
گاورنر 65، 163
گیبسون 84
ل
لوله پیتوت 83
لوله مکش 130، 146، 152
لولهکشی روغن 158
م
ماشينهاي برق آبي 1
مافوق صوت 88
مباني كنترلي 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
مفصلهاي مهار چرخ دوار و یاتاقانها 174
مکانیزم منحرفکننده 115
مکانیسم بازخورد و لولهکشی روغن 158
مکانیسم بهرهبرداری 178، 183
مکانیسم پرههاي هادی 147، 159، 161
مکانیسم تنظیم 129
مکانیسم تنظیم پرههاي چرخ دوار 142
ملاحظات اساسی تشابه 33
ملاحظات کلی 16
ملزومات تنظیم توان نیروگاههاي آبی 67
منتقل شدن به فنداسيون 201
منحرفکننده 115
منحنیهاي 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 ماشینهاي برق آبی 3
نمودار عملکرد 44، 48، 52
نوسانات جرم 68
نیازهای حاکم بر توربین 66
نيروهاي منتقل شدن به فنداسيون 201
و
وسایل استاندارد شده اختلاف فشار 92
ه
هد مکش 41
هد مکش و نسبت عکسالعمل 49، 52
همکاری سیستم تنظیم پرههاي هادی و پرههاي چرخ دوار 143