توربين فرانسيس

توربين فرانسيس هو نوع من التوربينات المائية . وهو توربين تفاعلي ذو تدفق داخلي يجمع بين مفاهيم التدفق القطري والمحوري . تُعد توربينات فرانسيس أكثر التوربينات المائية شيوعًا، ويمكن أن تصل كفاءتها إلى أكثر من 95%. ^{[ 1 ]}

استغرقت عملية الوصول إلى تصميم عداء فرانسيس الحديث من عام 1848 إلى حوالي عام 1920. ^{[ 1 ]} وأصبح يُعرف باسم توربين فرانسيس حوالي عام 1920، نسبةً إلى المهندس البريطاني الأمريكي جيمس ب. فرانسيس الذي ابتكر تصميمًا جديدًا للتوربين في عام 1848. ^{[ 1 ]}

تُستخدم توربينات فرانسيس بشكل أساسي لإنتاج الكهرباء. يتراوح إنتاج الطاقة للمولدات الكهربائية عمومًا من بضعة كيلوواط إلى 1000 ميغاواط، مع العلم أن محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة قد تكون أقل. ويُلاحظ أفضل أداء عندما يتراوح ارتفاع الماء بين 100 و300 متر (330-980 قدمًا) . ^{[ 2 ]} ويتراوح قطر أنابيب التوربينات بين 1 و10 أمتار (3.3 و32.8 قدمًا) . وتتراوح سرعات وحدات التوربينات المختلفة بين 70 و1000 دورة في الدقيقة . وتتحكم بوابة صغيرة حول الجزء الخارجي من دولاب التوربين الدوار في معدل تدفق الماء عبر التوربين للحصول على معدلات إنتاج طاقة مختلفة. وعادةً ما تُركّب توربينات فرانسيس بعمود رأسي لعزل الماء عن المولد، مما يُسهّل أيضًا عملية التركيب والصيانة. ^{[ 3 ]}    

استُخدمت أنواع مختلفة من الدواليب المائية لأكثر من ألف عام لتشغيل طواحين المياه بمختلف أنواعها، إلا أنها كانت ذات كفاءة منخفضة نسبيًا. وقد سمحت التحسينات التي أُدخلت على كفاءة التوربينات المائية في القرن التاسع عشر باستبدالها بجميع تطبيقات الدواليب المائية تقريبًا، ومنافسة المحركات البخارية في أي مكان تتوفر فيه الطاقة المائية. وبعد تطوير المولدات الكهربائية في أواخر القرن التاسع عشر، أصبحت التوربينات مصدرًا طبيعيًا لتوليد الطاقة في المناطق التي توجد بها مصادر محتملة للطاقة الكهرومائية.

في عام 1826، طوّر المهندس الفرنسي بينوا فورنييرون توربينًا مائيًا عالي الكفاءة (80%) يعمل بتدفق خارجي. كان الماء يُوجّه بشكل مماس عبر دولاب التوربين، مما يؤدي إلى دورانه. وفي عام 1820 تقريبًا، صمّم مهندس فرنسي آخر، هو جان فيكتور بونسيليه ، توربينًا يعمل بتدفق داخلي، مستخدمًا المبادئ نفسها. وفي عام 1838، حصل إس. بي. هاود على براءة اختراع أمريكية لتصميم مشابه.

في عام 1848، قام جيمس ب. فرانسيس ، أثناء عمله كرئيس مهندسي شركة الأقفال والقنوات في مدينة لويل بولاية ماساتشوستس، وهي مدينة صناعية تعتمد على عجلات المياه في صناعة النسيج ، ^{[ 4 ]} بتطوير هذه التصاميم لإنشاء توربينات أكثر كفاءة. وقد طبّق مبادئ علمية وأساليب اختبار لإنتاج تصميم توربيني عالي الكفاءة. والأهم من ذلك، أن أساليبه الحسابية الرياضية والبيانية حسّنت تصميم التوربينات وهندستها. وقد سمحت أساليبه التحليلية بتصميم توربينات عالية الكفاءة تتناسب بدقة مع تدفق المياه وضغطها ( ارتفاع الماء ) في الموقع.

يتكون توربين فرانسيس من الأجزاء الرئيسية التالية:

الغلاف الحلزوني : يُعرف الغلاف الحلزوني المحيط بعجلة التوربين باسم الغلاف اللولبي أو الغلاف الحلزوني. يحتوي هذا الغلاف على فتحات عديدة على مسافات منتظمة تسمح لسائل التشغيل بالاصطدام بشفرات العجلة. تحوّل هذه الفتحات طاقة ضغط السائل إلى طاقة حركية قبل اصطدامه بالشفرات مباشرةً. يحافظ هذا على سرعة ثابتة للسائل على الرغم من وجود العديد من الفتحات لدخوله إلى الشفرات، حيث تتناقص مساحة المقطع العرضي لهذا الغلاف بشكل منتظم على طول محيطه.

ريش التوجيه والتثبيت : تتمثل الوظيفة الأساسية لريش التوجيه والتثبيت في تحويل طاقة ضغط السائل إلى طاقة حركية. كما أنها تعمل على توجيه التدفق بزوايا التصميم إلى شفرات المروحة.

شفرات الدوران : تُعدّ شفرات الدوران قلب أي توربين. فهي مراكز اصطدام السائل، وتُنتج القوة المماسية للاصطدام عزم دوران يُؤدي إلى دوران عمود التوربين. من الضروري إيلاء اهتمام دقيق لتصميم زوايا الشفرات عند المدخل والمخرج، لأنها من أهم العوامل المؤثرة على إنتاج الطاقة.

أنبوب السحب : أنبوب السحب عبارة عن قناة تربط مخرج دولاب التوربين بمجرى التصريف حيث يتم تصريف المياه من التوربين. وتتمثل وظيفته الأساسية في تقليل سرعة المياه المتدفقة لتقليل فقد الطاقة الحركية عند المخرج. وهذا يسمح بوضع التوربين فوق مستوى مياه التصريف دون انخفاض ملحوظ في الضغط المتاح.

تُعدّ توربينة فرانسيس نوعًا من التوربينات التفاعلية، وهي فئة من التوربينات التي يدخل فيها سائل التشغيل إلى التوربينة تحت ضغط هائل، وتُستخلص الطاقة من سائل التشغيل بواسطة شفرات التوربينة. يُفقد جزء من الطاقة من السائل نتيجة لتغيرات الضغط التي تحدث على شفرات التوربينة، ويُقاس ذلك بدرجة التفاعل ، بينما يُستخلص الجزء المتبقي من الطاقة بواسطة الغلاف الحلزوني للتوربينة. عند المخرج، يؤثر الماء على أجزاء الدوّارة ذات الشكل الكأسي، فيخرج بسرعة منخفضة ودوران ضعيف مع طاقة حركية أو كامنة ضئيلة جدًا . صُمم أنبوب مخرج التوربينة بشكل يساعد على إبطاء تدفق الماء واستعادة الضغط.

• 
  توربين فرانسيس (منظر خارجي) متصل بمولد كهربائي
• 
  رسم توضيحي مقطعي، مع بوابات صغيرة (صفراء) عند أدنى مستوى تدفق
• 
  منظر مقطعي، مع بوابات صغيرة (صفراء) في وضع التدفق الكامل

عادةً ما تظل سرعة التدفق (السرعة العمودية على الاتجاه المماسي) ثابتةً في جميع أنحاء النظام، أي V _{_f1} = V _{_f2}، وهي مساوية لسرعتها عند مدخل أنبوب السحب. باستخدام معادلة أويلر للتوربينات، E / m = e = V _{_w1} U _₁ ، حيث e هي الطاقة المنقولة إلى الدوار لكل وحدة كتلة من المائع. من مثلث سرعة المدخل،

${\displaystyle V_{w1}=V_{f1}\cot \alpha _{1}}$

و

${\displaystyle U_{1}=V_{f1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}),}$

لذلك

${\displaystyle e=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}).}$

يُحسب فقد الطاقة الحركية لكل وحدة كتلة عند المخرج بقسمة V _على ² /2 . لذلك، وبإهمال الاحتكاك، تصبح كفاءة الشفرة

${\displaystyle \eta _{b}={e \over (e+V_{f2}^{2}/2)},}$

أي

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}))}{V_{f2}^{2}+2V_{f1}^{2}(\cot \alpha _{1}(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1}))}}\,.}$

يمكن تعريف درجة التفاعل بأنها نسبة تغير طاقة الضغط في شفرات التوربين إلى إجمالي تغير طاقة المائع. ^{[ 5 ]} وهذا يعني أنها نسبة تُشير إلى جزء التغير الكلي في طاقة ضغط المائع الذي يحدث في شفرات التوربين. أما باقي التغيرات فتحدث في شفرات الجزء الثابت من التوربين وغلافه الحلزوني نظرًا لاختلاف مساحة مقطعه العرضي. على سبيل المثال، إذا كانت درجة التفاعل 50%، فهذا يعني أن نصف إجمالي تغير طاقة المائع يحدث في شفرات الجزء الدوار، والنصف الآخر في شفرات الجزء الثابت. أما إذا كانت درجة التفاعل صفرًا، فهذا يعني أن تغيرات الطاقة الناتجة عن شفرات الجزء الدوار تساوي صفرًا، مما يؤدي إلى تصميم توربين مختلف يُسمى توربين بيلتون .

${\displaystyle R=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{2}^{2}}{2e}}=1-{\frac {V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}}{2e}}}$

المعادلة الثانية أعلاه صحيحة، لأن التدفق يكون شعاعيًا في توربين فرانسيس. الآن، بوضع قيمة 'e' من الأعلى واستخدام${\displaystyle V_{1}^{2}-V_{f2}^{2}=V_{f1}^{2}\cot \alpha _{2}}$(مثل${\displaystyle V_{f2}=V_{f1}}$)

${\displaystyle R=1-{\frac {\cot \alpha _{1}}{2(\cot \alpha _{1}+\cot \beta _{1})}}}$

يمكن تصميم توربينات فرانسيس لتناسب نطاقًا واسعًا من الارتفاعات والتدفقات المائية. وقد جعلها هذا التنوع، إلى جانب كفاءتها العالية، التوربينات الأكثر استخدامًا في العالم. تغطي وحدات فرانسيس نطاق ارتفاعات مائية يتراوح من 40 إلى 600 متر (130 إلى 2000 قدم) ، وتتراوح قدرة خرج مولداتها المتصلة من بضعة كيلوواط إلى 1000 ميغاواط. تُصمم توربينات فرانسيس الكبيرة بشكل فردي لكل موقع لتعمل بأعلى كفاءة ممكنة مع تدفق المياه والارتفاع المائي المحددين، وعادةً ما تتجاوز 90% (إلى 99% ^{[ 6 ]} ).  

على عكس توربين بيلتون ، يعمل توربين فرانسيس بأفضل كفاءة وهو مملوء بالماء بالكامل طوال الوقت. ويمكن وضع التوربين وقناة التصريف في مستوى أدنى من مستوى البحيرة أو البحر في الخارج، مما يقلل من احتمالية حدوث التكهف .

إضافةً إلى إنتاج الكهرباء ، يمكن استخدام هذه الخزانات لتخزين الطاقة بالضخ ، حيث يُملأ الخزان بواسطة التوربين (الذي يعمل كمضخة) الذي يُشغَّل بواسطة المولد (الذي يعمل كمحرك كهربائي كبير) خلال فترات انخفاض الطلب على الطاقة، ثم يُعكس اتجاه التوربين ويُستخدم لتوليد الطاقة خلال فترات ذروة الطلب. تعمل خزانات تخزين الطاقة بالضخ هذه كمصادر تخزين طاقة كبيرة لتخزين الطاقة الكهربائية "الفائضة" على شكل مياه في خزانات مرتفعة. تُعد هذه إحدى الطرق القليلة التي تسمح بتخزين فائض الطاقة الكهربائية مؤقتًا لاستخدامه لاحقًا.