مقاله در مورد توربوماشینها

بخشی از مقاله

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 .