Complete Gids voor Aftrekkbuizen: Ontwerp, Functie en Toepassingen

Aftrekkbuizen zijn essentiële componenten in de meeste typen turbines zoals Kaplan, Francis en reactieturbines. Het component is als een buis ontworpen met geleidelijk toenemende oppervlakken die de uitlaat van het looprad verbinden met de aftrekking. Met zijn twee uiteinden is de een verbonden met de uitlaat van het looprad en het andere uiteind ondergedompeld onder het waterpeil in de aftrekking. In dit component wordt kinetische energie omgezet in statische druk.

Vandaag leer je de definitie, toepassingen, functie, diagram, typen en werking van een aftrekkbuis kennen. Je leert ook de voor- en nadelen van deze aftrekkbuis in zijn diverse toepassingen.

Wat is een aftrekkbuis?

Een aftrekkbuis is een verbindingsbuis die over het algemeen aan de uitlaat of exit van een turbine wordt gemonteerd om de kinetische energie van water aan de uitlaat om te zetten in statische druk. Met dit component wordt verspilling van de kinetische energie van water voorkomen. In een aftrekkbuis is de diameter kleiner nabij de inlaat en groter nabij de uitlaat. Deze uitlaat is altijd in water ondergedompeld. Gietstaal en cementbeton zijn de materialen die gebruikt worden voor het maken van een aftrekkbuis.

Zoals eerder vermeld, worden aftrekkbuizen over het algemeen gebruikt in vermogensturbines zoals reactie-, Kaplan- en Francis-turbines. Het systeem bevindt zich net onder het looprad en laat de stromingssnelheid afnemen die uit het looprad komt.

Aftrekkbuizen worden in turbines gebruikt om het probleem van terugstroom te voorkomen, daarom zijn ze gelegen tussen de turbine-uitlaat en de aftrekking. Turbines zoals Pelton of impulsturbines hebben geen aftrekkbuis nodig omdat de beschikbare valhoogte voor de turbine erg groot is. Dit resulteert in een boven-atmosferische druk bij de turbine-uitlaat. Vanwege de boven-atmosferische druk van water bij de turbine-uitlaat, zal terugstroom van water nooit optreden.

Toepassingen van aftrekkbuizen

Toepassingen van aftrekkbuizen in turbines zijn al hierboven genoemd. Ze worden gebruikt om de druk te verhogen van lage turbine-uitlaatdruk naar de druk van de omgeving waar het fluïde wordt afgestoten. De primaire functie van een aftrekkbuis is het omzetten van waterkinetische energie in drukenergie, het verminderen van de watersnelheid en het verhogen van de waterdruk voordat het de aftrekking bereikt. Deze buis wordt gebruikt om het dwarsdoorsnedeoppervlak geleidelijk te vergroten.

Diagram van een aftrekkbuis:

Aftrekkbuis in Kaplanturbine.

Typen aftrekkbuizen

Hieronder de verschillende typen aftrekkbuizen:

Kegelvormige aftrekkbuis (Conical draft tube):

Kegelvormige aftrekkbuizen laten hun stroomrichting recht en divergenterend zijn. Meestal gemaakt van zachtstalen platen, met een getaperde vorm en een grotere buitendiameter dan de inlaat. De getaperde hoek van de aftrekkbuis is niet te wijd om een divergentie van de stroom van de wand van de aftrekkbuis te induceren. Ook mag de hoek niet te kort zijn, omdat een langere aftrekkbuis vereist is om een substantiële verlies van kinetische energie te bieden.

Eenvoudige elleboog aftrekkbuis (Simple elbow draft tube):

Deze typen aftrekkbuizen hebben de vorm van een elleboog. Vaak gebruikt in een Kaplanturbine. Het dwarsdoorsnedeoppervlak blijft hetzelfde over de gehele lengte van de aftrekkbuis, terwijl inlaat en uitlaat cirkelvormig zijn. Elleboog aftrekkbuizen worden bij lage valhoogteposities gebruikt en de turbine wordt naast de aftrekking gemonteerd. Dit helpt de kosten van boren te minimaliseren en de uitlaatdiameter is zo breed mogelijk om kinetische energie bij de loopraduitlaat te herwinnen.

Moody aftrekkbuis (Moody draft tube):

In Moody aftrekkbuistypen is de uitlaat verdeeld in twee secties en heeft één inlaat. Deze buis lijkt op een kegelvormige aftrekkbuis. Moody aftrekkbuistypen helpen de zwierbeweging van water te reduceren.

Elleboog aftrekkbuis met varierende dwarsdoorsnede (Elbow draft tube with varying cross-section):

Deze aftrekkbuistypen met varierende dwarsdoorsnedes zijn verbeteringen van een eenvoudige elleboog aftrekkbuis. De inlaat is cirkelvormig terwijl de uitlaat rechthoekig is. Over het algemeen is de horizontale sectie van de aftrekkbuis opwaarts geneigd om te voorkomen dat lucht de uitlaat bereikt. De aftrekkbuis varieert in dwarsdoorsnede van inlaat naar uitlaat. Deze uitlaat bevindt zich onder de aftrekking.

Werking van aftrekkbuizen

De werking van aftrekkbuizen in een turbine is minder complex en gemakkelijk te begrijpen. In het geval van de Kaplan- en Francis-turbine is de beschikbare valhoogte bij de inlaat laag, waardoor de turbine veel dichter bij de aftrekking wordt geplaatst. Dit helpt om een maximum valhoogte te krijgen. Het grootste deel van de waterdruk wordt omgezet in mechanische energie van de turbine. De drukoppervlakte bij de uitlaat van de turbine is onder de atmosferische druk.

Terugstroom kan optreden aangezien de uitlaat van een turbine dicht bij de aftrekking ligt en de waterdruk bij de uitlaat van een turbine lager is dan de atmosferische druk. Dit treedt op omdat water stroomt van hoge druk naar lage druk en de druk bij de uitlaat van de turbine lager is dan atmosferisch en bij de aftrekking is er atmosferische druk.

Deze terugstroom kan ernstige schade aan de turbine en zijn onderdelen veroorzaken, wat tot totale uitval leidt. Om dit terugstroomprobleem te voorkomen, wordt een aftrekkbuis gebruikt tussen de uitlaat van de turbine en de aftrekking. Een aftrekkbuis verhoogt de waterdruk tot atmosferische druk.

Bekijk de onderstaande video voor meer over de werking van de aftrekkbuis:

Toepassen van Bernoulli's Principe op sectie 1-1 en 2-2

[Drukoppervlakte + Snelheidshoogte + Ligginghoogte]_1-1 = [Drukoppervlakte + Snelheidshoogte + Ligginghoogte]_2-2

Laat
P₁ = druk van de vloeistof op sectie 1-1 (inlaat van een aftrekkbuis)
V₁ = snelheid van de vloeistof op sectie 1-1 (inlaat van een aftrekkbuis)
Op dezelfde manier,
P₂ = druk van vloeistof op sectie 2-2 (uitlaat van aftrekkbuis)
V₂ = snelheid van vloeistof op sectie 2-2 (uitlaat van aftrekkbuis)
ρ = dichtheid van de stromende vloeistof
g = zwaartekracht
h_f = verlies van hoogte (energie) in aftrekkbuis
H_s = verticale hoogte van aftrekkbuis boven de aftrekking
y = afstand van de bodem van aftrekkbuis tot aftrekking.
P_a = atmosferische druk van een vloeistof.

( P₁ / ρg ) + ( V₁² / 2g ) + ( H_s + y ) = ( P₂ / ρg ) + ( V₂² / 2g ) + ( 0 + h_f )
( P₁ / ρg ) = ( P₂ / ρg ) – ( H_s + y ) + ( V₂² / 2g ) – ( V₁² / 2g ) + h_f

De drukoppervlakte op sectie 2 – 2 is gelijk aan atmosferische drukoppervlakte en afstand y.
( P₂ / ρg ) = ( P_a / ρg ) + y
( P₁ / ρg ) = ( P_a / ρg ) + y – H_s – y + ( V₂² / 2g ) – ( V₁² / 2g ) + h_f( P₁ / ρg ) = ( P_a / ρg ) – H_s + ( V₂² / 2g ) – ( V₁² / 2g ) + h_f

De vergelijking omzetten voor ons doel (d.w.z. in het midden van R.H.S "−" gemeenschappelijk nemen)
( P₁ / ρg ) = ( P_a / ρg ) – H_s – [ ( V₁² / 2g ) – ( V₂² / 2g ) – h_f ]

In de bovenstaande vergelijking [ ( V₁² / 2g ) – ( V₂² / 2g ) – h_f ] heet kinetische hoogte.
Hier is [ ( V₁² / 2g ) – ( V₂² / 2g ) ] de dynamische hoogte.
Uit de bovenstaande vergelijking kunnen we schrijven
( P₁ / ρg ) < ( P_a / ρg )
Dus P1 < Pa

De drukoppervlakte bij de inlaat van de aftrekkbuis of uitlaat van een turbine is lager dan de atmosferische druk. Dus de netto valhoogte op de turbine met de aftrekkbuis neemt toe.

Voordelen en nadelen van aftrekkbuizen

Voordelen:

Hieronder de voordelen van aftrekkbuizen in hun diverse toepassingen:

• Aftrekkbuis voorkomt spatwater van het looprad en leidt het water rechtstreeks naar de aftrekking.
• De hoeveelheid kinetische energie die bij de aftrekking vereist is, wordt drastisch verminderd.
• Prestaties van het systeem worden verbeterd.
• De turbinehoogte wordt verhoogd doordat de hoogte toeneemt tussen de turbine-uitlaat en de aftrekking.

Nadelen:

De enige nadelen van aftrekkbuizen zijn dat extra gewicht aan het systeem wordt toegevoegd en de initiële kosten van de aftrekkbuis hoog zijn.

Conclusie

De aftrekkbuis is een essentieel component in de meeste typen turbines zoals Kaplan, Francis en reactieturbines. Het component is als een buis ontworpen met geleidelijk toenemende oppervlakken die de uitlaat van het looprad verbinden met de aftrekking. Het doel is om de kinetische energie van water aan de uitlaat om te zetten in statische druk. Dit was het artikel waarin de definitie, toepassingen, functie, typen en werking van aftrekkbuizen besproken werden.

Ik hoop dat je er veel aan hebt gehad. Deel dit graag met anderen. Dank voor het lezen, tot de volgende keer!