مقاله در مورد توربوماشینها

word قابل ویرایش
20 صفحه
18700 تومان

مقدمه
براي آن كه امتداد جرياني را منحرف كنيم يا سرعت آن را تغيير دهيم ، بايد نيرويي به آن وارد كنيم . هنگامي كه يك پره متحرك امتداد جرياني را منحرف مي كند و مومنتم آن را تغيير مي دهد ، نيرويي از پره به سيال ـ يا بعكس از سيال به پره ـ وارد مي شود . با حركت پره و جابجا شدن نيرو ، كار انجام مي شود . اساس كار توربوماشين ها بر مبناي همين اصل است .

پمپها ، دمنده ها و كمپرسورها بر روي سيال كار انجام مي دهند و بر انرژي آن مي افزايند . توربين هاي آبي ، گازي و بخاري انرژي سيال را مي گيرند و به انرژي مكانيكي روي محور گردنده تبديل مي كنند . كوپلينگ سيالي و مبدل گشتاور ، متشكل از يك پمپ و يك توربين هستند و براي انتقال ملايم قدرت مكانيكي به كار مي روند .
تبديل انرژي در توربوماشين ها پيوسته است . درطراحي توربوماشين ها هم از تئوري بهره مي گيرند و هم از آزمايش .
با كاربرد تئوري تشابه مي توان از طرح ماشيني كه داراي ابعاد و سرعت دوراني مشخصي است و كارآمد بودن خود را در عمل نشان داده است استفاده كرده ، ماشين هاي مشابه ديگري با ابعاد و سرعت هاي متفاوت طراحي نمود .


در اين گزارش ابتدا تشابه هندسي و تشابه كاري توربوماشين ها را تعريف كرده ، روابط تشابه را به دست مي آوريم . سپس تئوري كسكيدها و به دنبال آن تئوري توربوماشين ها را ارائه مي دهيم . آنگاه به ترتيب به بررسي توربين هاي عكس العملي ، پمپها و دمنده ها ، توربين هاي ضربه اي و كمپرسورهاي سانتريفوژ مي پردازيم . در انتها نيز پديده كاويتاسيون را شرح خواهيم داد .

ماشينهاي مشابه ، سرعت مخصوص
دو توربو ماشين را درنظر بگيريد كه داراي تشابه هندسي باشند يعني با ضرب ابعاد هندسي يكي از آنها در عدد ثابتي ، ابعاد هندسي متناظر ماشين ديگربه دست آيد . اگر اين دو ماشين طوري كار كنند كه خطوط جريان آنها نيز تشابه هندسي داشته باشند ، گوييم دو ماشين تشابه كاري دارند . در اين صورت بين مشخصات كاري دو ماشين نيز تشابه وجود خواهد داشت . براي آنكه بتوانيم در طراحي يك توربوماشين نمونه از اطلاعات مربوط به مدل آن استفاده كنيم ،


بايستي مدل و نمونه علاوه بر تشابه هندسي ، تشابه كاري نيز داشته باشند . متأسفانه مجبوريم از اثرات لزجت صرف نظر كنيم ، زيرا عموما نمي توان هم دو شرط فوق الذكر را برقرار كرد و هم اعداد رينولدز مدل و نمونه را برابر نمود .
در صورتي كه خطوط جريان در دو ماشين مشابه باشند ، دياگرام سرعت ها در ورود به يا خروج از پروانه هاي دو ماشين مشابه خواهند بود . در شكل(1) دياگرام سرعت ها در خروجي پروانه يك پمپ نشان داده شده است . حال با نشان مي دهيم . استفاده از اين شكل ، شرط تشابه الگوي جريان را فرمول بندي مي كنيم . زاويه پره را به
نشان مي دهيم . سرعت مطلق سيال از جمعِ u و سرعت محيطي پروانه را به v سرعت سيال نسبت به پره را به
نشان مي دهيم . مولفه سرعت مطلق در امتداد شعاعيV به دست مي آيد . سرعت مطلق سيال را به u و v برداري
نشان مي دهيم . متناسب با دبي است . زاويه سرعت مطلق با سرعت محيطي را به Vr نشان مي دهيم . Vr را به
در آنها يكسان باشد و شرط تشابه كاري ايجاب مي كند شرط تشابه هندسي دو ماشين ايجاب مي كند كه زا ويه
در آنها يكسان باشد . كه زاويه

و دبي حجمي D، قطر پروانه N در ماشين هاي مشابه را مي توانيم بر حسب سر عت دوراني شرط برابري


بيان كنيم . Q جريان
. Vr متناسب است با u و V متناسب است با Vr ثابت ، است ، پس به ازاي Vr = Vsin چون
را مي توان به صورت زير بيان كرد : بنابراين شرط برابري


متناسب است با Vr ، پس D2 برابر است با دبي تقسيم بر سطح جريان . چون سطح جريان متناسب است با Vr

.ND متناسب است با u، پس N متناسب است با و D متناسب است با r . چون r برابر است با u از طرفي
لذا رابطه فوق را مي توان به صورت زير بيان كرد :

اين رابطه شرط تشابه كاري ماشين هاي مشابه است .
بيان كنيم . براي اين كار از فرمولA و يك سطح مقطع مثل H دبي ماشين هاي مشابه را مي توانيم بر حسب ارتفاع
اريفيس يعني :
Q = CdA

براي ماشين هاي مشابه مي توان نوشت :Cd استفاده مي كنيم . با ثابت فرض كردن

با تغيير عدد رينولدز تغيير كمي مي كند . به همين دليل راندمان ماشين هايCd است . البته D2 متناسب با A زيرا
مشابه با ابعاد مختلف كمي متفاوت است . تغيير راندمان با تغيير عدد رينولدز را اثر مقياس گويند . در ماشين هاي كوچكتر ، شعاع هيدروليكي مجاري كوچكتر است ، لذا عدد رينولدز جريان كمتر است ، از اين رو ضريب اصطكاك بزرگتر است و بنابراين راندمان كمتر مي باشد . اختلاف راندمان مدل و نمونه مي تواند 1تا 4 در صد باشد .
در تئوري تشابه از اثر مقياس صرفنظر مي شود و لذا براي تعيين راندمان نمونه از روي راندمان مدل بايد از روابط تجربي استفاده كرد .
از معادلات بالا به دست مي آوريم :Qبا حذف

ذيلا براي روشن تر شدن موضوع ، روابط تشابهي فوق را با استفادعه از آناليز ابعادي به دست مي آوريم .

به دست آوردن روابط تشابه با استفاده از آناليز ابعادي
متغيرهاي موثر در جريان تراكم ناپذير در يك توربو ماشين عبارتند از : جرم مخصوص و لزجت سيال ، قطر و سرعت دوراني پروانه ، دبي ، ارتفاع و قدرت ماشين . رابطه بين متغيرها به صورت زير قابل بيان است :
f

را قرار داده ايم كه معرف انرژي بر واحد جرم است . gH كه معرف انرژي بر واحد وزن است ، H در اين رابطه به جاي
با انجام آناليز ابعادي به دست مي آوريم :
F( ) = 0

با چشم پوشي از اثرات لزجت مي توانيم از عدد رينولدز صرفنظر كرده، بنويسيم :
F

گروه هاي بي بعد فوق به ترتيب ضريب دبي ، ضريب ارتفاع و ضريب قدرت ناميده مي شوند . به طوري كه ديديم شرط تشابه كاري دو ماشين ، برابري ضريب دبي آنهاست . در آن صورت ضريب ارتفاع دو ماشين نيز برابر خواهد بود و همچنين ضريب قدرت آنها .
نمودارهايي كه تغييرات ارتفاع ، قدرت و راندمان ماشين را در مقابل دبي نشان مي دهند ، منحني هاي مشخصه ناميده مي شوند . با استفاده از روابط تشابه مي توان منحني هاي مشخصه يك ماشين را از روي منحني هاي مشخصه ماشين مشابه ديگري با ابعاد و سرعت متفاوت به دست آورد . منحني هاي مشخصه را مي توان در دستگاه مختصات بي بعد را درe و را به عنوان محور افقي انتخاب كرده ، رسم كرد . براي اين كار
مقابل آن رسم مي كنند . با چشم پوشي از اثر مقياس منحني هاي مشخصه بي بعد براي تمام ماشين هاي مشابه يكسان است .
سرعت مخصوص
در انتخاب نوع توربو ماشين ها و در طراحي مقدماتي آنها به طور گسترده اي از يك پارامتر تشابهي به نام سرعت مخصوص استفاده مي شود . سرعت مخصوص ، عددي است ثابت كه براي ماشين هاي مشابه يكسان است . سرعت
يك دسته پمپNsمخصوص پمپها و توربين ها را معمولا به صورت هاي متفاوتي تعريف مي كنند . سرعت مخصوص


مشابه طبق تعريف عبارت است از سرعت پمپي از آن دسته كه داراي چنان ابعادي باشد كه دبي واحد را به ارتفاع واحد را حذف مي كنيم :D پمپاژ نمايد . براي به دست آوردن فرمول سرعت مخصوص ، در معادلات فوق ،

معرف سرعت دوراني پمپي خواهد بود H=1 و Q=1 را از اين رابطه حذف كنيم ، مقدار ثابت طرف دوم به ازاي gاگر
كه دبي واحد را به ارتفاع واحد پمپاژ مي كند و اين همان سرعت مخصوص است :

سرعت مخصوص در نقطه حداکثر راندمان تعريف می شود . يعنی در رابطه فوق مقادير سرعت , دبی و ارتفاع مربوط به نقطه حداکثر راندمان هستند .
سرعت مخصوص بی بعد پمپها را به صورت زير می توان تعريف کرد :

سرعت زاويه ای بر حسب راديان بر ثانيه است . سرعت مخصوص بی بعد مستقل از سيستم آحاد است . که در آن
سرعت مخصوص يک دسته توربين مشابه طبق تعريف عبارت است از سرعت توربينی که تحت ارتفاع واحد , توان واحد , پس می توان نوشت :QH متناسب است با P را توليد نمايد . چون

را حذف کنيم , به عبارت زير می رسيم :Q و D اگر در معادلات فوق ,

معرف سرعت دورانی توربينی H=1 و P=1 را از اين رابطه حذف کنيم , مقدار ثابت طرف دوم به ازای g و اگر
خواهد بود که تحت ارتفاع واحد و توان واحد را توليد می کند و اين همان سرعت مخصوص است .

سرعت مخصوص بی بعد توربين ها به صورت زير تعريف می شود :

با استفاده ازمعادلات اخير , می توان سرعت مخصوص ماشينی را که برای دبی معلوم و ارتفاع معين لازم است , تخمين زد . پمپهايی که دبی آنها زياد و ارتفاعشان کم است , سرعت مخصوصشان زياد است . توربين هايی که ارتفاع آنها زياد و توان توليدي شان کم است , سرعت مخصوصشان کم است . تجارب عملی حاکی از آن است که برای حصول حداکثر راندمان , معمولا به ازای هر سرعت مخصوص بايد از يک تيپ خاص پمپ يا توربين استفاده کرد .


سرعت مخصوص پمپهای سانتريفوژ کم , پمپهای مختلط متوسط و پمپهای محوری زياد است . سرعت مخصوص توربين های ضربه ای کم , توربين فرانسيس متوسط و توربين های محوری زياد است .
از آنجا که معادلات فوق از نظر ابعادی همگن نيستند , مقدار عددی سرعت مخصوص به واحدهای به کار رفته بستگی دارد . در سيستم متريک برای بيان مقادير عددی سرعت مخصوص , ارتفاع را بر حسب متر , دبی را بر حسب متر
می باشد .rpm مکعب بر ثانيه , قدرت را بر حسب کيلو وات و سرعت دورانی را بر حسب

تئوری کسکيدها
در توربو ماشين ها , سيال در يک دسته پره متحرک جريان می يابد و بدين ترتيب به طور مداوم بر روی آن کار انجام می شود و يا از آن کار گرفته می شود . يک رديف از پره های مشابه را اصطلاحا کسکيد گويند . با بررسی جريان در کسکيد می توان برخی شرايط لازم برای کارآمد بودن توربوماشينها را دريافت .
ابتدا جريان در کسکيد مستقيم ساکن را بررسی می کنيم . با عبور سيال از اين کسکيد , امتداد جريان آن تغيير
می کند . نيرويی به سيال وارد می شود , اما با صرف نظر کردن از اثرات اصطکاک و درهمی , کاری بر روی آن انجام نمی شود .


در توربوماشين ها ، پره ها به طور متقارن بر روي پيرامون يك دايره قرار دارند . لذا حال جريان در كسكيد دايره اي ساكن را بررسي مي كنيم . فرض كنيد سيال در امتداد شعاعي به كسكيد نزديك شود . در اين صورت گشتاور مومنتم آن در ورودي صفر است . با عبور سيال از كسكيد ، گشتاور مومنتم آن تغيير مي كند . ميزان تغيير گشتاور و مومنتم بستگي دارد . پس داريم : و دبي جرمي جريان r، شعاع خروجي Vtسيال به مولفه مماسي سرعت خروجي

در اين حالت نيز كسكيد كاري بر روي سيال انجام نمي دهد .
دوران مي كند . حال يك كسكيد ديگر در نظر مي گيريم كه در داخل كسكيد ساكن قرار دارد و با سرعت زاويه اي
براي كارآمد بودن سيستم ، بايستي سيال با حداقل اغتشاش وارد مجاري پره هاي متحرك شود . به عبارت ديگر سيال بايد در امتداد مماسي وارد شود . اگر سرعت نسبي سيال در ورود به پره مماس بر آن نباشد ، ممكن است پديده جدايي رخ دهد . جدايي جريان از روي پره ها باعث مي شود كه لايه مرزي ضخيم شود و سرعت در آن به صفر برسد .


اين امر باعث بروز تلفاتي به نام تلفات شوك مي شود . با انحراف جريان از امتداد مماسي ، تلفات شوك ( تقريبا متناسب با مجذور انحراف زاويه اي) افزايش يافته ، راندمان ماشين كاهش مي يابد . حتي وقتي امتداد سرعت نسبي ورودي مماس بر پره باشد نيز ، اغلب به علت انحناي پره يا واگرايي مجاري جريان ، جدايي رخ مي دهد . با عبور جريان از كسكيد متحرك ، به طور كلي هم مقدار سرعت تغيير مي كند و هم امتداد آن . بدين ترتيب گشتاور مومنتم جريان تغيير مي نمايد و سيال بر روي كسكيد كار انجام مي دهد و يا بعكس كسكيد بر روي سيال كار انجام مي دهد . در توربين ها مطلوب است كه گشتاور مومنتم سيال خروجي از چرخ ، صفر باشد . اين گفته قديمي در زمينه طراحي توربين شهرت يافته است : " سيال بدون شوك وارد شود و بدون سرعت خارج شود."
طراحي توربوماشينها مستلزم تعيين شكل هندسي مناسب براي مجاري جريان و پره هاست ، به طوري كه ماشين مشخصات تعيين شده را با حداكثر راندمان ممكن ارائه نمايد . هر طرح بخصوص به نوع كار ماشين ، دانسيته سيال و مقدار كاري كه بر واحد جرم آن انجام مي شود ، بستگي دارد .

تئوري توربوماشين ها
توربين ها از انرژي سيال كار مفيد مي گيرند . پمپها ، دمنده ها و توربوكمپرسورها به انرژي سيال مي افزايند . اين عمل در يك چرخ انجام مي شود . چرخ از تعدادي پره تشكيل شده است كه به يك محور متصل شده اند . از آنجا كه پره ها فقط در امتداد مماسي جابجا مي شوند ، كار به واسطه جابجايي مولفه مماسيِ نيروي وارد به چرخ انجام مي شود . مولفه شعاعي نيروي وارد به چرخ ، در امتداد شعاعي جابجا نمي شود ودر نتيجه نمي تواند كاري انجام دهد .
براي ارائه تئوري توربو ماشين ها فرض مي كنيم كه مجاري چرخ ، سيال را كاملا هدايت مي كنند . به عبارت ديگر فرض مي كنيم كه چرخ داراي بي نهايت پره با ضخامت صفر باشد . در اين صورت سرعت نسبي سيال همواره مماس بر پره خواهد بود . با اين فرض جريان ، تقارن دايره اي خواهد داشت . پس حجم كنترلي را برمي گزينيم كه شامل چرخ باشد . معادله گشتاور مومنتم براي جريان دائمي و متقارن در اين حجم كنترل به صورت ساده زير در مي آيد :

گشتاور مومنتم خروجی از حجم کنترل گشتاور وارد به سيال داخل حجم کنترل است . T که در آن
گشتاور مومنتم ورودی به حجم کنترل می باشند . و
برای بيان روابط از دياگرام سرعت ها بهره می گيريم . هريک از دياگرامها را می توان با يک مثلث نمايش داد . انديس v سرعت محيطی چرخ و u سرعت مطلق سيال , V 1 را برای ورودی و انديس 2 را برای خروجی به کار می بريم .
را از نقطه ایuو بردارv سرعت نسبی سيال نسبت به چرخ می باشند . برای رسم مثلث سرعت ها , مطابق شکل بردار
α را به u با V خواهد بود . زاويه v وصل شود , معرف V به انتهای u رسم می کنيم . برداری که از انتهای o مانند
در امتدادV با زاويه پره برابر است . مولفه β نشان می دهيم . با فرض هدايت کامل سيال , β- را به u با v و زاويه
نشان می دهيم . با استفاده از اين علائم داريم : Vr و در امتداد عمود بر آن را به Vu مماسی را به

اگر مثبت باشد حاکی از اين استT دبی جرمی جريان است . در معادله فوق , که در آن که گشتاور مومنتم سيال با عبور از چرخ افزايش می يابد (مانند پمپ) و اگر منفی باشد حاکی از اين است که گشتاور صفرخواهد بود . برای حالت اخير داريم :T مومنتم سيال کاهش می يابد (مانند توربين) . در مجرايی که فاقد پره باشد

معادله فوق معرف گرداب آزاد است . در گرداب آزاد مولفه مماسی سرعت با شعاع تناسب معکوس دارد .

روابط اصلی در توربوماشين ها
توان مکانيکی ازحاصل ضرب گشتاوروسرعت زاويه ای به دست می آيد . با ضرب طرفين معادله قبل درسرعت زاويه ای
به دست می آويم :

ارتفاع موثر روی H بيان می شود که در آن در توربين ها , توانی که سيال به ماشين می دهد به صورت
توربين است . با صرفنظر کردن از تلفات , توان سيال با توان مکانيکی توليدی توربين برابر است . در پمپها توانی که ارتفاع توليدی پمپ است . در اين حالت نيز با H بيان می شود , که در آن سيال از ماشين می گيرد به صورت
صرف نظر کردن از تلفات , توان مکانيکی مصرفی پمپ با توان توليدی آن برابر است . لذا می توان نوشت :

را به صورت زير به دست می آوريم : H از برابر قرار دادن طرفين معادلات فوق

برای توربين ها علامت جملات معادله عکس می شود .
, برابر است با : ارتفاع واقعی پمپها ,

, براب است با : ارتفاع واقعی توربين ها ,

تلفات هيدروليکی در آن می باشد . راندمان کلی ماشين از راندمان HL راندمان هيدروليکی ماشين و eh
هيدروليکی آن کمتر است , زيرا علاوه بر تلفات هيدروليکی تلفات ديگری نيز وجود دارد . ساير تلفات عبارتند از : اصطکاک ياتاقان ها , اصطکاکی که سيال بين چرخ و محفظه ايجاد می کند و نشت جريان از درزهای بين چرخ و محفظه . اين تلفات تاثيری بر ارتفاع ندارند .
پمپها را عموما طوری طرح می کنند که مومنتم زاويه ای سيال ورودی به چرخ صفر باشد . در اين صورت داريم :

توربين ها را طوری طرح می کنند که در نقطه حداکثر راندمان , مومنتم زاویه ای سيال خروجی از چرخ صفر باشد . در اين حالت داريم :

معادله انرژی برای يک پمپ به صورت زير بيان می شود :

با استفاده از معادلات فوق می توان نوشت :

فرض شده است که انرژی تمام خطوط جريان گذرنده از پمپ يکسان باشد . حال قانون کسينوس ها را برای مثلثهای سرعت ورودی و خروجی می نويسيم :

را در معادله فوق حذف می کنيم و به دست می آوريم :V2 و V1 با استفاده از روابط فوق سرعتهای مطلق

منهای معادله فوق نشان می دهد که تلفات برابر است با ارتفاع ناشی از نيروی گريز از مرکز يعنی
اختلاف ارتفاع جريان نسبی . اگر تلفات را صفر فرض کنيم , طبق معادله افزايش ارتفاع فشاری به صورت زير بيان
می شود :

صفر است . در اين حالت افزايش ارتفاع برابر است با آن چه معادله زير برای گردابv2 و v1 اگر دبی جريان صفر باشد ,
اجباری به دست می دهد . وقتی جريان از چرخ عبور می کند , افزايش ارتفاع برابر است با ارتفاع ناشی از نيروی گريز از مرکز منهای تغيير ارتفاع سرعت نسبی .

روابط فوق در توربين ها نيز معتبر است .


توربين های عکس العملی
توربينها را می توان به دو دسته تقسيم بندی کرد : توربين های ضربه ای و توربين های عکس العملی . در توربينهای ضربه ای تمام انرژی سيال در يک نازل به انرژی جنبشی تبديل می شود . سيال به صورت جت آزاد از نازل تخليه
می شود و انرژی خود را به پره های متحرکِ چرخ واگذار می کند . سيال , مجاری پره ها را کاملا پر نمی کند و جت در سراسر مسير حرکت خود در چرخ در معرض فشار اتمسفر است .
در توربين های عکس العملی بخشی از انرژی سيال قبل از ورود به چرخ و با عبور از پره های هادیِ قابل تنظيم به انرژی جنبشی تبديل می شود وبقيه تبديل انرژی در چرخ رخ می دهد . انرژی جنبشی سيال در هنگام خروج زياد است . از خروجی چرخ تا پاياب مجرای واگرايی وجود دارد که لوله تخليه ناميده می شود . کار لوله تخليه اين است که با انبساط تدريجی مقطع جريان , انرژی جنبشی را مجددا به انرژی جريانی تبديل کند . لوله تخليه باعث می شود که فشار در خروجی چرخ کاهش يافته , از فشار اتمسفر کمتر شود . بدين ترتيب لوله تخليه به اختلاف فشار طرفين توربين يعنی به ارتفاع موثر روی آن می افزايد . ارتفاع موثر روی توربين برابر است با اختلاف ارتفاع سرآب و پاياب منهای تلفات . اين مطلب با بيان معادله انرژی برای لوله تخليه روشن تر می شود .

در نتيجه ارتفاع فشاری در خروجی توربين برابر است با :

تلفات در لوله تخليه عبارتند از تلفات ناشی از انبساط , تلفات اصطکاکی و اتلاف ارتفاع سرعتی در خروجی لوله . اين تلفات مجموعا بالنسبه کوچک است و لذا طبق رابطه فوق خلا نسبی قابل توجهی در مقطع 1 ايجاد می شود که به طور موثری به ارتفاع روی چرخ توربين می افزايد . ارتفاع نصب توربين از سطح پاياب نبايد چندان زياد باشد که در چرخ يا لوله تخليه کاويتاسيون رخ دهد .
دو نوع توربين عکس العملی متداول عبارتند از توربين فرانسيس و توربين محوری . در هر دو نوع آب

که سرعت جريان آب در حرکت به طرف چرخ يک مولفه مماسی پيدا کند . بين پره های هادی و چرخ , فاصله ای وجود دارد . جريانهای خروجی از مجاری مجاور در اين فاصله به يکديگر می پيوندند . حرکت سيال در اين ناحيه به صورت گرداب آزاد است , زيرا هيچ گشتاوری به آن اعمال نمی شود .
در توربين فرانسيس سيال طوری وارد چرخ می شود که سرعت نسبی آن مماس بر لبه پره ها باشد . در طی حرکت سيال درمجاری چرخ تدريجامولفه شعاعی سرعت به مولفه محوری تبديل می شود و مولفه مماسی آن کاهش می يابد .
به طوری که در خروجی چرخ فشار کمتر از فشار اتمسفر است . انرژی جنبشی جريان خروجی از چرخ در طی عبور از لوله تخليه مجددا به انرژی جريانی تبديل می شود . توربينهای فرانسيس برای نيروگاههای با ارتفاع ريزش متوسط , از 25متر تا 180 متر مناسبند . اين توربينها برای سرعت مخصوص های بين 40 تا 420 طراحی می شوند و در محدوده سرعت مخصوص های 150 تا 230 بهترين راندمان ها را ارائه می کنند . حداکثر راندمان توربين های فرانسيس بزرگ بين 90 تا95 درصد است .
در توربين محوری , حرکت سيال در خروج از پره های هادی به صورت گرداب آزاد است . از خروجی پره های هادی تا ورودی پره های چرخ , سيال در بين ديواره های ثابت توربين هدايت شده , مولفه شعاعی سرعت آن به مولفه محوری تبديل می شود

. در اين ناحيه مومنتم زاويه ای سيال ثابت می ماند . لذا با کاهش شعاع , مولفه مماسی سرعت افزايش می يابد . تعداد پره های چرخ , کم و انحنای آنها ناچيز است . امتداد پره ها طوری است که سرعت نسبی ورودی بر لبه آنها مماس است . سرعت نسبی جريان زياد است و در عبور از چرخ چندان تغيير نمی کند .
توجه کنيد که مولفه مماسی سرعت در عبور از چرخ کاهش می يابد . در برخی از توربين های محوری موسوم به توربين کاپلان پره های چرخ در پيرامون توپی لولا شده اند

. در اين حالت پره های چرخ نيز قابل تنظيم بوده , می توان با تغيير دبی يا تغيير ارتفاع ريزش امتداد آنها را تغيير داد . توربين های محوری بويژه برای نيروگاه های با ارتفاع ريزش کم , تا30 متر مناسبند . اين توربين ها برای سرعت مخصوص های 380 تا 800 طراحی می شوند و در محدوده سرعت مخصوص های 400 تا 610 بهترين راندمان ها را ارائه می کنند . حداکثر راندمان توربين های محوری حدود 94 درصد است .
آسيای بادی نوعی توربين محوری است . در آسيای بادی چون پره های ثابتی وجود ندارد تا در جريان هوا يک مولفه مماسی ايجاد کنند , پره های متحرک بايد اين کار را انجام دهند . جريان هوا در عبور از ملخ منبسط می شود و سرعت محوری آن کاهش می يابد .

پمپ ها و دمنده ها
پمپها به انرژی مايعات می افزايند و دمنده ها به انرژی گازها . روش طراحی پمپ ها و دمنده ها يکسان است , مگر در حالتی که تغييرات دانسيته گاز زيادباشد . پمپها ودمنده ها را می توان به سه دسته تقسيم بندی کرد ؛ جريان شعاعی ,


جريان محوری و جريان مختلط . نوع اخير ترکيبی از دو نوع ديگر است . برای ارتفاعات زياد از پمپ جريان شعاعی معروف به پمپ سانتريفوژ استفاده می شود . برای ارتفاعات بيشتر از پمپهای چند طبقه (متشکل از چند پروانه که به صورت سری قرار گرفته اند ) استفاده می شود . برای دبی های زياد , پمپ جريان محوری مناسب است . پمپ جريان مختلط برای ارتفاعات متوسط و دبی های متوسط به کار برده می شود .
پمپ سانتريفوژ معمولی از اجزا زير تشکيل شده است : يک لوله ورودی که به مرکز پروانه منتهی می شود , يک پروانه شعاعی و يک محفظه حلزونی که سيال را جمع آوری کرده به دهانه خروجی هدايت می کند . پمپهای يک طبقه معمولا پره ثابت ندارند . در پمپهای چند طبقه پس از هر پروانه يک دسته پره ثابت وجود دارد که جريان را به طرف مرکز

پروانه بعدی هدايت می کنند . اين پره ها همچنين انرژی جنبشی جريان خروجی از پروانه را به انرژی فشاری تبديل می کنند . اصطکاک ناشی از وجود پره های ثابت در مقايسه با ميزان بازيابی فشار کم است .
سرعت مخصوص پمپهای سانتريفوژ و مختلط بين10 تا50 و سرعت مخصوص پمپهای محوری بين 100 تا 200 است .
مشخصه تئوريک
می توان مشخصه تئوريک پمپهای سانتريفوژ را تعيين کرد . با استفاده از معادله

نشان دهيم و از ضخامت پره ها صرف نظر کنيم , می توان نوشت :b اگر پهنای پروانه را به



را به دست آورده , و با توجه به روابط فوق داريم : Vr2 از رابطه فوق

خطی است .Q و H به طوری که ملاحظه می شود برای يک پمپ معين با سرعت دورانی مشخص , رابطه
بستگی دارد در شکل زيربرای زوايای حاده , قائمه ومنفرجه رسم شده است . اين رابطه خطی که شيب آن به زاويه

) ارتفاع ) با افزايش دبی ,ارتفاع کاهش می يابد .برای پره های شعاعی( برای پره های روبه عقب (
) با افزايش دبی , ارتفاع افزايش می يابد . مستقل از دبی است . برای پره های رو به جلو (
پمپهای سانتريفوژ معمولا دارای پره های رو به عقب هستند .
مشخصه واقعی
اگر تلفات هيدروليکی را از مشخصه تئوريک کم کنيم , مشخصه واقعی به دست می آيد . اما قبل از آن بايد تاثير لغزش را منظور کنيم . سيال به شرطی به طور کامل هدايت می شود که تعداد پره ها بی نهايت باشد . عملا به علت محدود بودن تعداد پره ها , سيال به طور کامل هدايت نمی شود و با زاويه ای کمتر از زاويه پره از پروانه خارج می شود . اين پديده را لغزش گويند . پديده لغزش باعث کاهش ارتفاع توليدی پمپ می شود .


تلفات اصطکاکی سيال در مجاری ثابت و متحرک پمپ با مجذور دبی جريان متناسب است . علاوه بر تلفات اصطکاک بايد تلفات شوک را که ناشی از نامناسب بودن امتداد سرعت در ورودی پره است نيز منظور می کنيم . هر پمپ برای دبی معينی (درسرعت دورانی معين) طراحی می شود . در اين دبی , سرعت نسبی ورودی مماس بر پره است و تلفات شوک قابل چشم پوشی است و

پمپ حداکثر راندمان خود را داراست . در ساير دبی ها تلفات شوک رخ می دهد که تقريبا با مجذور انحراف در زاويه ورودی متناسب است . پس از منظور کردن اثر لغزش در مشخصه تئوريک و کم کردن تلفات اصطکاکی و شوک از آن , مشخصه واقعی پمپ حاصل می شود . ارتفاع پمپ در دبی صفر را اصطلاحا ارتفاع قطع يعنی نصف ارتفاع قطع تئوريک است . گويند . ارتفاع قطع معمولا حدود


تلفات هيدروليکی از ارتفاع توليدی می کاهند . تلفاتی نيز وجود دارند که باعث می شوند گشتاور کمتری به سيال منتقل شود . اين تلفات عبارتند از اصطکاک مکانيکی در ياتاقانها و نوار آب بندی و اصطکاک سيالی که بين پروانه متحرک و محفظه ثابت وجود دارد . همچنين تلفات ديگری نيز وجود دارد که باعث کاهش دبی می شود ؛ قسمتی از سيال خروجی از پروانه از درز پروانه و محفظه

نشت کرده , مجددا به دهانه ورودی پروانه جريان می يابد . تلفات نشتی داخلی نيز باعث کاهش راندمان می شود .
به طور کلی راندمان پمپ ها کمتر از راندمان توربين ها است . علت اين امر زياد بودن تلفات در تبديل انرژی جنبشی به انرژی جريانی است .

توربين های ضربه ای
در توربين های ضربه ای سيال قبل از اين که به پره های متحرک برخورد کند , از يک نازل عبور می کند و انرژی آن تماما به انرژی جنبشی در فشار اتمسفر تبديل می شود . در نيروگاه آبی مجهز به توربين ضربه ای , آب از طريق لوله تحت فشار (پنستوک) به طرف نازل جريان می يابد . از سرآب تا ورودی نازل تلفاتی رخ می دهد که با استفاده از روابط مربوط به جريان در لوله ها قابل محاسبه است . مشخصات در ورودی نازل را با انديس 1 و در خروجی آن را با انديس 2 نشان می دهيم . ارتفاع کل در ورودی نازل برابر است با :

سرعت جت خروجی از نازل را می توان به صورت زير بيان کرد :

ضريب سرعت نازل است . افت ارتفاع در نازل برابر است با :Cv که در آن

راندمان نازل برابر است با نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی آن , يعنی :

به بشقابک های دو کفه ای چرخ برخورد می کند , آنگاه به دو قسمت تقسيم می شودV2جت خروجی از نازل با سرعت
منحرف می شود .θ و سرعت نسبی آن به اندازه زاويه
می نويسيم و نيروی وارد به بشقابکها را به دست می آوريم :x معادله مومنتم را در امتداد

توانی که به بشقابک ها داده می شود برابر است با :

بايد حداکثر شود . يعنی بايد 180 درجه باشد و ثانيا θبرای دستيابی به توان حداکثر اولا
مشتق می گيريم و برابر صفرu حداکثر است از آن نسبت به برای آن که معلوم نماييم به ازای چه سرعتی ,
قرار می دهيم :


باشد . با جايگذاری اين رابطه در معادله قبل داريم : نتيجه می گيريم که بايد

توجه کنيد که عبارت فوق همان انرژی جنبشی جت است . اگر به ازای اين مقادير مثلث سرعت خروجی را رسم کنيم , خواهيم ديد که در اين حالت سرعت مطلق خروجی از بشقابک صفر است . در عمل , سيال خروجی از بشقابک بايد سرعت کافی داشته باشد تا بتواند از سر راه بشقابک بعدی خارج شود .
اغلب توربين ها ضربه ای از نوع پلتون است . چرخ پلتون دارای تعدادی بشقابک دو کفه ای است . جت آب با برخورد به بشقابک به دو قسمت تقسيم شده , در صفحه افقی منحرف می شود و هر نيمه آن از يک طرف تخليه می شود . لذا هيچ نيروي محوری به چرخ وارد نمی شود . برخورد جت به تيغه وسط بشقابک و نيز اصطکاک بين جت و سطح
کمتر کمی از u بشقابک موجب بروز تلفاتی می شود . وجود اين تلفات سبب می شود که بهترين مقدار برای
, تعيين می کنند . ضريب سرعت به را از روی يک پارامتر تشابهی به نام ضريب سرعت , u باشد . بهترين مقدار
صورت زير تعريف می شود :

به سرعت مخصوص بستگی در نقطه حداکثر راندمان محاسبه می شود . معلوم شده است که مقدار مقدار عددی
باشد . حدود دارد . همچنين معلوم شده است که برای حداکثر راندمان بايد نسبت
را بين 173 تا176 θ قطر چرخ (قطر دايره مماس بر خط مرکزی جت) است . زاويه بشقابک يعنی D قطر جت و d
درجه می گيرند .
اغلب توربين ها فقط يک نازل دارند . جت به طور افقی ازنازل خارج شده , درپايين چرخ به بشقابکها برخورد می کند .
برای توليد توان الکتريکی بايد سرعت چرخ به دقت تثبيت شود . در داخل نازل سوزنی وجود دارد که موقعيت آن توسط گاورنر تنظيم می شود . با جلو و عقب رفتن سوزن مساحت مقطع جت کم و زياد شده , دبی توربين تغيير
عملا ثابت می ماند .V2 می نمايد . در محدوده وسيعی از تغييرات موقعيت سوزن ,
می شود , به سرعت افت می کند . اين موضوع با رسم نمودار V2 راندمان توربين با تغيير ارتفاع ريزش که باعث تغيير
روشن می شود . چرخ گرچه توسط محفظه ای احاطه شده است , اما در هوای به ازای V2 توان در مقابل
اتمسفر می گردد . بنابراين ضروری است که بالاتر از حداکثر ارتفاع طغيان آب رودخانه نصب شود . ارتفاع هندسی بين نازل تا پاياب موردبهره گيری توربين قرار نمی گيرد . توربين های پلتون به علت اين که راندمانشان در ارتفاع ريزشهای متفاوت با ارتفاع طراحی کم است و نيز به علت عدم بهره گيری از ارتفاع هندسی بين نازل تا پاياب , معمولا برای ارتفاع ريزش های زياد , از200 متر تا بيش از1000 متر به کار گرفته می شوند . برای ارتفاع ريزش های زياد ممکن است راندمان کل نيروگاه به 90 درصد نزديک شود .


سرعت مخصوص توربين هايی که فقط يک نازل دارند در محدوده 7 تا 23 است . سرعت مخصوص توربين های مجهز به چند نازل در محدوده 23 تا 46 است .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 18700 تومان در 20 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع

مقاله در مورد توربوماشینها

word قابل ویرایش
20 صفحه
18700 تومان
مقدمهبراي آن كه امتداد جرياني را منحرف كنيم يا سرعت آن را تغيير دهيم ، بايد نيرويي به آن وارد كنيم . هنگامي كه يك پره متحرك امتداد جرياني را منحرف مي كند و مومنتم آن را تغيير مي دهد ، نيرويي از پره به سيال ـ يا بعكس از سيال به پره ـ وارد مي شود . با حركت پره و جابجا شدن نيرو ، كار انجام مي شود . اساس كار تورب ...

تحقیق در مورد توربوماشینها

word قابل ویرایش
22 صفحه
18700 تومان
توربوماشینهامقدمهبراي آن كه امتداد جرياني را منحرف كنيم يا سرعت آن را تغيير دهيم ، بايد نيرويي به آن وارد كنيم . هنگامي كه يك پره متحرك امتداد جرياني را منحرف مي كند و مومنتم آن را تغيير مي دهد ، نيرويي از پره به سيال ـ يا بعكس از سيال به پره ـ وارد مي شود . با حركت پره و جابجا شدن نيرو ، كار انجام مي شود . ا ...