ظاهرة الاندفاع المفاجئ (Surge) في التوربينات
تُعد ظاهرة الاندفاع المفاجئ (Surge) إحدى أهم حالات عدم الاستقرار الديناميكي في التوربينات الغازية والبخارية. ينتج الـ Surge عن اضطراب شديد في جريان المائع يؤدي إلى تذبذبات حادة في الضغط وارتفاع الاهتزازات، مما يسبب خسارة في الأداء واحتمالية حدوث أعطال ميكانيكية خطيرة. يتناول هذا البحث الآليات الفيزيائية للـ Surge، والأسباب التشغيلية المؤدية له، ويستعرض أهم الطرق الحديثة للحد من حدوثه عبر أنظمة التحكم والمراقبة المتقدمة. تعمل التوربينات سواء الغازية أو البخارية ضمن شروط محددة لضمان استقرار الجريان على شفرات المراحل المختلفة. وعند تجاوز حدود التشغيل الآمن، قد يدخل الجريان في منطقة عدم استقرار تؤدي إلى ظاهرة Stall ثم تتطور إلى Surge. هذه الظاهرة تعتبر تهديداً مباشراً لكفاءة وأمان محطات الطاقة، وضواغط محركات الطائرات، ومنظومات الدورة المركّبة. . الأساس النظري للـ Surge: الـ Surge هو حالة ديناميكية يحدث فيها: • تذبذب ضغط واسع النطاق داخل مسار التوربين • انخفاض مفاجئ في معدل التدفق • إمكانية انعكاس اتجاه الجريان بشكل دوري وتُصنف هذه الظاهرة كأعلى درجات عدم الاستقرار الهيدروديناميكي. الفرق بين Stall وSurge • Stall: انفصال جزئي للجريان فوق الشفرات يسبب فقدان الرفع الهوائي. • Surge: تطور stall إلى فقدان كامل في استقرار التدفق، مصحوب بانعكاس دورات التدفق. التأثيرات الميكانيكية: يؤدي الـ Surge إلى: • زيادة الاهتزازات الهيكلية • إجهادات ميكانيكية على الشفرات والمحامل والأختام • إمكانية حدوث كسر أو التواء في ريش التوربين • انخفاض كفاءة التشغيل (Efficiency Drop) اما أسباب حدوث Surge في التوربينات: تحدث الظاهرة غالباً عند الاقتراب من منحنى السرج/الانهيار Stall Line أو أثناء التشغيل خارج نطاق التصميم (Off-Design Operation). وتشمل الأسباب المباشرة: 1. انخفاض معدل التدفق عبر المراحل المحورية 2. ارتفاع نسبة الضغط بشكل غير متناسب مع التدفق 3. فشل أو تأخر أنظمة التحكم 4. سوء ضبط ريش التوجيه (IGVs) 5. تغيّر الخصائص الحرارية للمائع أو ظروف الحمل طرق منع وتقليل الـ Surge -أنظمة التحكم المتقدمة: تعتمد الأنظمة الحديثة على: • خوارزميات تنبؤية (Predictive Control) • تحكم سريع في صمامات النزف Bypass/Blow-off • ضبط تلقائي لمعادلة التدفق والضغط التحكم في ريش التوجيه (IGVs) ضبط زاوية الـ IGVs يحقق توزيعاً مثالياً للتدفق، ويحافظ على استقرار الجريان عبر المراحل الأولى للتوربين. المراقبة اللحظية (Real-Time Monitoring) تعتمد على: • حساسات الضغط عالية الدقة • تحليل طيف الاهتزاز (Vibration Spectrum) • قياس نسبة الضغط إلى التدفق (PR–Mass Flow Map) • تحذيرات مبكرة قبل دخول منطقة الخط أظهرت الدراسات أن تطبيق أنظمة التحكم النشط يقلل احتمالية حدوث Surge بنسبة تصل إلى 60–80%. كما أن ضبط IGVs بشكل صحيح يحافظ على استقرار التوربين خاصة عند الأحمال المتغيرة. أما الوحدات التي تفتقر إلى المراقبة اللحظية فتزداد فيها حالات الاهتزاز والتوقفات المفاجئة، مما يؤدي إلى انخفاض العمر التشغيلي للمعدات وارتفاع تكاليف الصيانة. 6. الخلاصة: إن ظاهرة الـ Surge تمثل تحدياً هندسياً خطيراً يؤثر في كفاءة واستقرار التوربينات الحديثة. فهم آلية حدوثها وتطبيق حلول التحكم والمراقبة يقلل من أضرارها، ويضمن تشغيل أكثر أماناً واستقراراً، ويطيل العمر التشغيلي للتوربين. إن دمج تقنيات التحكم الذكي وتطوير خرائط التشغيل يعدان من أهم المسارات المستقبلية للحد من الظاهرة بشكل فعال.






