Transcript Document

‫الباب الثالث‬
‫‪ -3‬توربينات رد الفعل )‪(reaction turbines‬‬
‫• ‪ -‬تعريف‪:‬‬
‫• في توربينات رد الفعل يكون للماء الداخل الي الدوار طاقة‬
‫ضغط )‪ (pressure energy‬باالضافة الي طاقة‬
‫حركة )‪ .(kinetic energy‬عندما ينساب الماء خالل‬
‫االجزاء المثبتة للتوربين يتم تحويل جزء من طاقة الضغط‬
‫الي طاقة حركة ويكون هنالك تغييرا في الضغط‪ ،‬وفي أثناء‬
‫إنسياب الماء خالل ريش الدوار تنتقل الطاقة من الماء الي‬
‫الدوار ويكون هنالك انخفاضا في الضغط وفي السرعة‬
‫المطلقة للماء‪ .‬وبما ان الماء داخل الدوار يكون تحت ضغط‬
‫معين فهذا يعنى أن الدوار يكون مغمورا فى الماء ويكون‬
‫التوربين مليئا بالماء باستمرار‪.‬‬
‫• الشكل (‪ )3.1‬أدناه يوضح رسما تخطيطيا لمحطة قدرة‬
‫هيدرومائية يستخدم فيها توربين رد فعل ( ‪reaction‬‬
‫‪.)turbine‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫يشتمل توربين رد الفعل علي االجزاء االساسية االتية‪:‬‬
‫إطار حلزوني )‪،(spiral casing‬‬
‫منظومة توجيه )‪،(guide mechanism‬‬
‫الدوار )‪،(runner‬‬
‫انبوب السحب )‪.(draft tube‬‬
‫• اإلطار الحلزوني )‪:(Spiral casing‬‬
‫• اإلطار الحلزوني هو عبارة عن الوعاء الذي يحوي الدوار‬
‫واالجزاء الملحقة به‪ .‬تكون مساحة مقطع اإلطار متغيرة‬
‫باتنتظام لتاخذ الشكل الحلزوني ينتقل الماء من الخزان عبر‬
‫االنبوب الناقل )‪ (Penstock‬ويدخل الي الدوار خالل‬
‫منظومة توجيه )‪ (guide mechanism‬موجودة داخل‬
‫االطار الحلزوني‪ .‬يتم تصنيع االطار الحلزوني من االسمنت‬
‫المسلح )‪ (concrete‬أو االلواح الفوالذية )‪(steel plates‬‬
‫أو فوالذ الصب )‪ (cast steel‬ويعتمد ذلك علي السمت‬
‫الذي يعمل به التوربين‪.‬‬
‫• منظومة التوجيه )‪:(guide mechanism‬‬
‫• منظومة التوجه هي عبارة عن ريش مثبتة علي عجلة‬
‫)‪ (wheel‬تتكون من حلقتين دائرتين تحيط بالدوار ومثبتة علي‬
‫االطار الحلزوني من الداخل‪ .‬تقوم ريش التوجيه ‪(guide‬‬
‫)‪ vanes‬بتوجيه الماء الي ريش الدوار )‪ (runner vanes‬في‬
‫االتجاه الذي يجعل السرعة النسبية للماء في اتجاه المماس‬
‫لريش الدوار عند المدخل وبالتالي يتم تفادي الصدمات‬
‫)‪ (shocks‬عند مدخل الدوار‪ ،‬ويمكن ان يتم بواسطتها ايضا‬
‫التحكم في كمية الماء الداخل الي الدوار وذلك بتغيير المسافة‬
‫بين كل ريشتين متجاورتين‪.‬‬
‫• يتم التحكم في وضع ريش التوجيه بواسطة منظومة تحكم‬
‫تعمل بواسطة حاكمة )‪ (governor‬تكون وظيفتها هى‬
‫المحافظة علي سرعة دوران ثابتة للدوار عندما يتغيير‬
‫التحميل الواقع علي التوربين‪ .‬يتم تصنيع ريش التوجيه‬
‫عادة من فوالذ الصب )‪.(cast steel‬‬
‫• ‪-‬الدوار )‪(runner‬‬
‫• الدوار هو عبارة عن مجموعة ريش مثبتة إما على قرص‬
‫دائرى (‪ )circular disc‬أو على صرة (‪ )hub‬ويعتمد ذلك‬
‫علي نوع التوربين‪ .‬يتم تصميم هذه الريش بحيث يدخل‬
‫الماء ويخرج من الدوار دون احداث صدمات ‪(without‬‬
‫)‪ . shocks‬يتم تثبيت الدوار علي عمود التوربين بواسطة‬
‫خوابير‪ .‬يمكن ان يكون عمود توربين رد الفعل فى‬
‫مستوى أفقى‪،‬‬
‫• ويسمى فى هذه الحالة‪ :‬توربين عمود أفقى ( ‪horizontal‬‬
‫‪ ،)shaft turbine‬أو فى مستوى رأسى ويسمى‪ :‬توربين‬
‫عمود رأسى (‪ .)vertical shaft turbine‬يتم تصنيع‬
‫الدوار من حديد الصب )‪ (cast iron‬أو فوالذ الصب ‪(cast‬‬
‫)‪ steel‬أو الحديد المقاوم للصدأ )‪(stainless steel‬‬
‫ويعتمد ذلك علي مقدار السمت المتاح ونوعية الماء‬
‫المستخدم‪.‬‬
‫•‬
‫• ‪ -‬انبوب السحب )‪:(draft tube‬‬
‫• انبوب السحب هو عبارة عن انبوب بمساحة مقطعية‬
‫متزايدة بانتظام (‪gradually increasing cross-‬‬
‫‪ )sectional area‬يتم توصيله بين التوربين وبين القناة‬
‫السفلى )‪ ،(tailrace‬يتم من خالله تصريف الماء الخارج‬
‫من الدوار الي القناة السفلى )‪ .(tailrace‬يكون ضغط الماء‬
‫عندما يخرج من ريش الدوار منخفضا وقد يكون اقل من‬
‫الضغط الجوي وبالتالي ال يمكن تصريفه الي القناة السفلي‬
‫مباشرة لذلك يقوم انبوب السحب بزيادة ضغط الماء اثناء‬
‫مروره داخل االنبوب ليتم تصريفه في القناة السفلى عند‬
‫الضغط الجوي‪.‬‬
‫• ‪ -‬تصنيف توربينات رد الفعل ‪(classification of‬‬
‫)‪reaction turbines‬‬
‫• يتم تصنيف توربينات رد الفعل على اساس اتجاه انسياب‬
‫الماء داخل الدوار الى ثالثة اصناف هى ‪:‬‬
‫• توربين انسياب نصف قطرى )‪:( Radial flow turbines‬‬
‫• في هذا الصنف من التوربيات يكون انسياب الماء داخل‬
‫الدوار )‪ (runner‬في اتجاه نصف القطر )‪.(radially‬‬
‫• كما يوضح الشكألدناه‪:‬‬
‫• توربين انسياب محوري )‪:(Axial flow turbine‬‬
‫• في هذا الصنف‪ :‬يدخل الماء الى الدوار في اتجاه المحور‬
‫)‪ (axially‬وينساب خالل الريش ويخرج في اتجاه المحور‬
‫• توربين انسياب مختلط )‪:(mixed flow turbine‬‬
‫• في هذا الصنف يكون مدخل الماء الى الدوار في اتجاه‬
‫نصف القطر)‪ (radially‬ثم ينحرف الماء اثناء انسيابه‬
‫خالل الريش ليخرج فى إتجاه المحور )‪. (axially‬‬
‫توربينات انسياب نصف قطرى )‪:( Radial flow turbines‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫تعتبر توربينات اإلنسياب النصف قطرى من توربينات‬
‫السمت المتوسط و السرعة النوعية المتوسطة‪ .‬في هذه‬
‫التوربيات يكون انسياب الماء داخل الدوار )‪ (runner‬في‬
‫اتجاه نصف القطر )‪ (radially‬وينقسم هذا الصنف الي‬
‫نوعين ‪:‬‬
‫أ‪ -‬توربين انسياب نصف قطري الى الداخل‬
‫)‪ (inward radial flow turbine‬؛‬
‫ب‪ -‬توربين انسياب نصف قطري الى الخارج‬
‫(‪.)outward radial of flow turbine‬‬
‫• توربين انسياب الى الداخل )‪: (inward flow turbine‬‬
‫• في هذا النوع من التوربينات يدخل الماء الى الدوار عند‬
‫المحيط الخارجي خالل الريش المثبتة على حلقة التوجيه‬
‫)‪ (guide wheel‬والتي تحيط بالدوار من الخارج‪ .‬ينساب‬
‫الماء على ريش الدوار في اتجاه نصف القطر الى الداخل‬
‫(نحو المركز)‪ ،‬و يكون مخرج الماء عبر المحيط الداخلى‬
‫للدوار‪ .‬تقوم ريش التوجيه )‪ (guide vanes‬بتوجيه الماء‬
‫ليدخل الى ريس الدوار بالزاوية الصحيحية بحيث تكون‬
‫السرعة النسبية للماء عند المدخل في اتجاه المماس‬
‫المرسوم على الريشة عند مدخل الدوار وذلك ليكون دخول‬
‫الماء الى الدوار دون احداث صدمات‪.‬‬
‫• يتسبب الماء المنساب داخل الدوار في احداث قوى تؤثر‬
‫على الريش وبالتالي توليد عزم دوران على العمود ‪ .‬يقوم‬
‫العمود بعد ذلك بتشغيل مولد كهربائي وبذلك يتم تحويل‬
‫الطاقة الهيدروليكية اوال الى طاقة ميكانيكية بواسطة‬
‫التوربين ثم إلى طاقة كهربائية بواسطة المولد الكهربائي ‪.‬‬
‫• القدرة والكفاءة (‪)Power and efficiency‬‬
‫• الشكل (‪ )3.5‬يوضح دوار إنسياب نصف قطرى إلى‬
‫الداخل‪.‬فى هذا الشكل‪:‬‬
‫• ‪  v‬سرعة الماء الداخل إلى ريش التوجيه‬
‫• ‪  v1‬سرعة الماء الخارج من ريش التوجيه والداخل‬
‫الدوار‬
‫•‬
‫إلى ريش ّ‬
‫• ‪  ‬زاوية ريش التوجيه‬
‫• من معادلة استمرارية االنسياب ‪:‬‬
‫‪A v  A1v f 1  A1v1 sin ‬‬
‫•‬
‫• حيث‪ Ao :‬هى مساحة اإلنسياب (‪)flow area‬خالل ريش‬
‫التوجيه‪.‬‬
‫•‬
‫‪ A1‬هى مساحة اإلنسياب (‪ )flow area‬عند المدخل‪.‬‬
‫•‬
‫• تتحكم زاوية ريش التوجيه في اتجاه السرعة ‪ ،V1‬ويكون‬
‫اتجاه ‪ V1‬بحيث تكون السرعة النسبية في اتجاه المماس‬
‫لريشة ّ‬
‫الدوار عند المدخل أي أن ‪ vr1‬تميل بالزاوية ‪1‬‬
‫الدوار عند المدخل ) ‪.‬‬
‫(زاوية ريشة ّ‬
‫• تعطى الطاقة المتوفرة فى الماء عند مدخل التوربين‪ ،‬أى‬
‫السمت المتاح للتوربين بالعالقة‪:‬‬
‫‪H  H g  h f  K .E.exit‬‬
‫• حيث‪ Hg :‬هو السمت الكلى(‪ ،)gross head‬أى الفرق فى‬
‫اإلرتفاع بين سطح الماء فى بحيرة الخزان‬
‫•‬
‫أو القناة العليا (‪ )headrace‬وسطح الماء‬
‫•‬
‫فى القناة السفلى(‪.)tailrace‬‬
‫•‬
‫‪ h f‬هو الفاقد فى السمت نتيجة لإلحتكاك والعوامل‬
‫•‬
‫األخرى فى األنبوب الناقل‪.‬‬
‫•‬
‫• ‪ K.E.exit‬هى طاقة الحركة المتوفرة فى الماء عند المخرج‬
‫(‪ )exit‬من أنبوب السحب‪.‬‬
‫•‬
‫• تشتمل الطاقة الكلية في الماء عند المدخل على طاقة حركة‬
‫‪:‬‬
‫أن‬
‫أي‬
‫ضغط‪،‬‬
‫وطاقة‬
‫‪v12‬‬
‫•‬
‫‪H   H1  Z1  h1‬‬
‫‪2g‬‬
‫• حيث‪:‬‬
‫•‬
‫‪V1‬‬
‫•‬
‫‪Z1‬‬
‫•‬
‫•‬
‫‪h1‬‬
‫‪H1‬‬
‫هو سمت الضغط عند المدخل؛‬
‫‪P1‬‬
‫‪H1 ‬‬
‫‪g‬‬
‫هى السرعة المطلقة للماء عند المدخل‬
‫هو اإلرتفاع السكونى عند مدخل الدوار‬
‫هو فاقد السمت فى ريش التوجيه‬
‫المحولة إلى‬
‫الدوار تنخفض طاقة الماء بمقدار الطاقة‬
‫ّ‬
‫• خالل ّ‬
‫الدوار بطاقة حركة وطاقة ضغط‬
‫الدوار )‪ (E‬ويخرج الماء من ّ‬
‫ّ‬
‫وعليه فإن معادلة الطاقة تكون كما يلى‪:‬‬
‫•‬
‫‪V22‬‬
‫''‬
‫‪ Z 2  h1‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪2g‬‬
‫‪H  E  H2 ‬‬
‫‪P2‬‬
‫‪H2 ‬‬
‫‪g‬‬
‫حيث‪ H1 :‬هو سمت الضغط عند المخرج؛‬
‫‪ V1‬هى السرعة المطلقة للماء عند المدخل‬
‫‪ Z2‬هواالرتفاع السكوني عند مخرج الدوار‬
‫' ' ‪ h‬هوفاقد السمت في كل التوربين (المدخل ‪ ،‬ريش‬
‫‪1‬‬
‫الدوار )‪.‬‬
‫التوجيه ‪ ،‬ريش ّ‬
‫• من المعادالت أعاله يمكن التعبير عن الطاقة المحولة الى الدوار‬
‫بالعالقة‪:‬‬
‫‪v12  v2 2‬‬
‫‪E  H 1  H 2  ‬‬
‫‪ Z  h1‬‬
‫•‬
‫‪2g‬‬
‫• حيث‪  Z :‬هو الفرق فى اإلرتفاع بين مدخل ومخرج الدوار‬
‫‪ h1‬هو فاقد السمت عند المدخل وريش الدوار‪.‬‬
‫•‬
‫• عندما يكون المدخل والمخرج للدوار عند نفس المستوى فإن ‪،‬‬
‫‪ Z  0‬وبإهمال الفاقد عند المدخل وريش الدوار‪ ،‬يمكن‬
‫•‬
‫• التعبير عن (‪ )E‬بالعالقة اآلتية‪P1  P2  v12  v2 2  :‬‬
‫‪E‬‬
‫‪‬‬
‫‪g‬‬
‫‪2g‬‬
‫•‬
‫• وهى نفس العالقة التى تم الحصول عليها فى السابق من‬
‫معادلة برنولى وبإهمال الفاقد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫• من معادلة أويلر فإن الطاقة المحولة الى الدوار هى‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫•‬
‫‪E  u1v w1  u 2 v w2 ‬‬
‫‪g‬‬
‫•‬
‫‪v w1u1‬‬
‫‪E‬‬
‫الدوار هي‪:‬‬
‫• وعليه فإن الطاقة القصوى‬
‫المحولة إلى ّ‬
‫ّ‬
‫‪g‬‬
‫• وهي تحدث عندما تكون ‪ vw2  0‬أي انه ال يوجد تدويم عند‬
‫المخرج ويمكن تحقيق هذه الحالة بجعل زاوية المخرج ‪ 2‬‬
‫بحيث تكون السرعة المطلقة عند المخرج فى إتجاه نصف‬
‫القطر‪.‬‬
‫‪v2‬‬
‫‪tan  2 ‬‬
‫‪u2‬‬
‫• من مخطط السرعة عند المخرج ‪:‬‬
‫• وبما أن‬
‫‪vw2  0‬‬
‫‪v2  v f 2 ‬‬
‫• ومن معادلة استمرارية االنسياب ‪:‬‬
‫•‬
‫• وعليه يمكن تحديد قيمة الزاوية ‪ 2‬‬
‫‪A1v f 1  A2v f 2‬‬
‫• تعطى الكفاءة الهيدروليكية بالعالقة ‪:‬‬
‫‪E u1v w1‬‬
‫‪h  ‬‬
‫‪H‬‬
‫‪gH‬‬
‫• ومن مثلث السرعة عند المدخل فإن‪:‬‬
‫‪v f1‬‬
‫‪v w1‬‬
‫• أيضا‪:‬‬
‫•‬
‫‪v f1‬‬
‫•‬
‫‪ tan 1 ‬‬
‫‪u1  vw1‬‬
‫‪tan ‬‬
‫‪ v f 1  v w1 tan‬‬
‫‪tan1   tan180 1 ,‬‬
u1 
v f1
tan 1
 v w1
‫او‬
v w1 tan
u1 
 v w1
tan 1
 tan

u1  v w1 
 1
 tan 1 

‫او‬
‫• وبالتعويض عن ‪ u1‬يمكن التعبير عن الكفاءة‬
‫الهيدروليكية بالعالقة اآلتية‪:‬‬
‫‪v w21 ‬‬
‫‪tan ‬‬
‫‪1 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪H ‬‬
‫‪gH  tan 1 ‬‬
‫• من المعادالت الواردة فى الفقرة(‪ )2.3‬من الباب الثانى فإن‬
‫الكفاءة الميكانيكية تعطى بالعالقة ‪:‬‬
‫‪P‬‬
‫‪m ‬‬
‫•‬
‫‪gQa E‬‬
‫•‬
‫‪Qa‬‬
‫• كما أن الكفاءة الحجمية تعطى بالعالقة‪:‬‬
‫‪v ‬‬
‫‪Q‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫حيث‪ P :‬هى القدرة المتوفرة فى عمود التوربين‬
‫هى كثافة الماء‬
‫‪ Qa‬هو معدل اإلنسياب الفعلى خالل التوربين‬
‫هو معدل اإلنسياب عند مدخل التوربين‬
‫‪Q‬‬
‫هو سمت أويلر (الطاقة المحولة من الماء الى‬
‫‪E‬‬
‫الدوار)‬
‫• وعليه فإن الكفاءة الكلية للتوربين تعطى بالعالقة ‪:‬‬
‫‪P‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪ h xm xv‬‬
‫‪ gQH‬‬
‫• عندما ينخفض التحميل الكهربائي على المولد ينخفض‬
‫التحميل على التوربين وبالتالي ينخفض العزم المطلوب‬
‫على العمود وتتزايد سرعته وتبعا لذلك تتزايد قوة الطرد‬
‫المركزي المؤثرة على الماء المنساب خالل الريش ويؤدى‬
‫هذا الى إنخفاض معدل اإلنسياب وبالتالي تنخفض القدرة‬
‫الناتجة عن التوربين وتنخفض سرعة دوران العمود وهذا‬
‫يعني ان هنالك تحكم تلقائي في سرعة دوران العمود حسب‬
‫التحميل الواقع على التوربين وتعتبر هذه الخاصية ميزة‬
‫يمتاز بها توربين االنسياب النصف قطرى الى الداخل‪.‬‬
‫• هنالك بعض المصطلحات المستخدمة في مسائل توربينات‬
‫االنسياب النصف قطرى والتي تعرف كما يلي ‪:‬‬
‫‪u1‬‬
‫• نسبة السرعة )‪: (Speed ratio‬‬
‫‪ku ‬‬
‫‪2 gH‬‬
‫•‬
‫حيث‪ u1 :‬هي السرعة المماسية للدوار عند المدخل‪.‬‬
‫•‬
‫‪ H‬هو السمت المتاح للتوربين‪.‬‬
‫•‬
‫‪v f1‬‬
‫• نسبة االنسياب )‪:(flow ratio‬‬
‫‪kf ‬‬
‫‪2 gH‬‬
‫•‬
‫• حيث‪ v f1 :‬هي سرعة االنسياب )‪(velocity of flow‬‬
‫عند المدخل‬
‫‪B1‬‬
‫‪n‬‬
‫‪D1‬‬
‫• نسبة العرض )‪:(Breadth ratio‬‬
‫• حيث‪: B1 ،‬هو عرض الدوار عند المدخل‬
‫‪ : D1‬هو قطر الدوار عند المدخل‬
‫•‬
‫يعطي معدل االنسياب )‪ (flow rate‬خالل التوربين بالعالقة ‪:‬‬
‫•‬
‫‪QA v  A v‬‬
‫‪f2 f2‬‬
‫‪f1 f1‬‬
‫حيث‪ A f 1 :‬هي مساحة االنسياب عند المدخل وتعطى‬
‫بالعالقة ‪:‬‬
‫‪A f 1  D1B1‬‬
‫• في حالة اعتبار سمك الريش فان المساحة الفعلية لالنسياب‬
‫عند المدخل تعطى بالعالقة ‪:‬‬
‫‪A 'f 1   D1  zt  B1‬‬
‫•‬
‫و سمك الريشة الواحدة‬
‫• حيث ‪t‬‬
‫هو عدد الريش (يكون عادة بين ‪ 16‬و‪)24‬‬
‫‪Z‬‬
‫•‬
‫كما أن المساحة الفعلية لالنسياب عند المخرج تعطى بالعالقة ‪:‬‬
‫•‬
‫‪'   D  zt  B‬‬
‫‪Af2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫•‬
‫حيث‬
‫‪ D2 , B2‬هما القيم المناظرة عند المخرج‪.‬‬
)Vane thickness coefficient) ‫• معامل سمك الريشة‬
:‫عند المدخل هو‬

D1  zt
A f1
K t1 

Af1
D1
'

‫• ‪ -‬توربين انسياب الى الخارج ‪(outward flow‬‬
‫)‪.turbine‬‬
‫• في هذا النوع من التوربينات يدخل الماء عند المحيط‬
‫الداخلي للدوار‪ .‬تقوم ريش التوجيه )‪(guide vanes‬‬
‫بتوجيه الماء الى الدوار والذي يحيط بعجلة التوجيه بحيث‬
‫يدخل الماء الى ريش الدوار بالزاوية الصحيحة ‪ .‬ينساب‬
‫الماء بعد ذلك على ريش الدوار في اتجاه نصف القطر الى‬
‫الخارج ويكون مخرج الماء عند المحيط الخارجي للدوار‪.‬‬
‫• يتم رسم مخططات السرعة عند المدخل والمخرج للريشة‬
‫بنفس الطريقة المستخدمة في حالة توربين االنسياب الى‬
‫الداخل ويتم ايجاد القدرة والكفاءة الهيدروليكية بنفس‬
‫الطريقة من مخططات السرعة واستخدام معادلة اويلر ‪.‬‬
‫• يعتبر توربين االنسياب الى الخارج من اوائل التوربينات‬
‫التي تم تصميمها وقد توقف استخدامه اآلن في محطات‬
‫القدرة الكهرومائية‪.‬‬
‫• مثال (‪)3.1‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫القطر الخارجي لدوار انسياب الى الداخل ‪ 1 m‬وعرضه عند‬
‫المدخل ‪ .250 mm‬سرعة االنسياب عند المدخل ‪ .2m/s‬اذا‬
‫كان سمك الريش يشغل ‪ 10%‬من مساحة االنسياب عند‬
‫المدخل فما هو وزن الماء المنساب خالل التوربين في الثانية‪.‬‬
‫اذا كانت زاوية ريش التوجيه ‪ 10o‬وسرعة دوران التوربين ‪.‬‬
‫‪ 210 rpm‬ارسم مخططات السرعة عند المدخل ثم اوجد ‪:‬‬
‫زاوية ريش الدوار عند المدخل‪ )2( ،‬السرعة المماسية‬
‫للدوار عند المدخل‪.‬‬
‫(‪ )3‬السرعة المطلقة للماء عند المخرج‪ )4( ،‬السرعة‬
‫النسبية للماء عند المدخل‪.‬‬
Af 1  0.9 D1 B1  0.9 1 0.25  0.707m
2
:‫• الحل‬
•
Q  Av f 1  0.707 2  1.414m3 / s
W   Q  gQ  9810  1.414  13871 N / s
 13.871 kN / s
: ‫• السرعة المماسية‬
 D1 N
u1 
 11 m / s
•
60
-: ‫• من مثلث السرعة عند المدخل‬
tan1 
v f1
vw1

v w1 
v f1
tan 1
2

tan 10

 11.36 m / s
v f1
2

tan 1 

 1  79.8
vw1  u1 11.36  11
sin 1 
v f1
v1
 v1 
v f1
v f1
sin 1

v f1
2
sin 10

 11.5 m / s
2
sin 1 
 vr1 

 2.03m / s
vr1
sin 1 sin 79.8
‫• مثال(‪:)3.2‬‬
‫• توربين انسيابي الى الداخل يدور بسرعة ‪ .750 rpm‬القطر‬
‫الداخلي للدوار ‪ 0.3m‬والخارجي ‪ .0.6m‬يدخل الماء الى‬
‫ريش الدوار بالزاوية ‪ .12‬سرعة االنسياب ثابتة وتساوي‬
‫‪ ،6m/s‬يكون التصريف عند المخرج فى اتجاه نصف القطر‬
‫‪3‬‬
‫)‪ (radial discharge at outlet‬معدل االنسياب ‪1m / s‬‬
‫• أوجد ‪ :‬القدرة الناتجة وزاوية ريش الدوار عند المخرج‪.‬‬
‫• الحل ‪-:‬‬
‫السرعة المماسية عند المدخل ‪-:‬‬
‫‪ D1 N   0.6  750‬‬
‫‪u1 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 23.6 m / s‬‬
‫‪60‬‬
‫‪60‬‬
‫السرعة المماسية عند المخرج ‪-:‬‬
‫‪ 11.78 m / s‬‬
‫من مثلث السرعة عند المدخل ‪-:‬‬
‫‪ 28.23 m / s‬‬
‫سمت اويلر ‪-:‬‬
‫‪  0.3  750‬‬
‫‪60‬‬
‫‪6‬‬
‫‪‬‬
‫‪tan 12‬‬
‫‪‬‬
‫‪ v w1 ‬‬
‫‪ D2 N‬‬
‫‪60‬‬
‫‪v f1‬‬
‫‪v w1‬‬
‫‪u2 ‬‬
‫‪tan 1 ‬‬
‫‪u1v w1 23.6  28.23‬‬
‫‪E‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 67.9 m‬‬
‫‪g‬‬
‫‪g‬‬
‫• القدرة الناتجة ‪-:‬‬
‫‪P  gQE  98101 67.9  666W‬‬
‫• من مثلث السرعة عند المخرخ‪-:‬‬
‫‪‬‬
‫‪27‬‬
‫‪vf2‬‬
‫‪6‬‬
‫‪tan  2 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 2 ‬‬
‫‪u2‬‬
‫‪11.78‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫مثال (‪:)3.3‬‬
‫توربين انسياب الى الخارج يعمل تحت سمت ‪ 150m‬ويدور‬
‫بسرعة ‪ .250rpm‬القطر الداخلي للدوار ‪ 2m‬والخارجي‬
‫‪3‬‬
‫‪5‬‬
‫‪m‬‬
‫‪ 2.75m‬معدل االنسياب ‪/ s‬‬
‫عرض الدوار عند المدخل‬
‫والمخرج ثابت ويساوي ‪ ، 250rpm‬يكون التصريف عند‬
‫المخرج فى اتجاه نصف القطر‪.‬‬
‫باهمال سمك الريش أوجد زاويتي ريش الدوار وسرعة‬
‫االنسياب عند المدخل والمخرج‪.‬‬
 D1 N   2  250
u1 

 26.2 m / s
60
60
-:‫• الحل‬
 D2 N   2.75 250
u2 

 36 m / s
60
60
Q   D1 B1V f 1  5 m3/s
5
Vf1 
 3.18 m / s
  2  0.25
Q
5
Vf 2 

 2.32 m / s
 D2 B2   2.75 0.25
-: ‫سرعة االنسياب عند المدخل‬
-: ‫سرعة االنسياب عند المخرج‬
‫• الطاقة المحولة للدوار هي ‪-:‬‬
‫‪V f22‬‬
‫‪2g‬‬
‫‪EH‬‬
‫‪2.322‬‬
‫‪ 150 ‬‬
‫‪ 149.73m‬‬
‫‪2  9.81‬‬
‫‪u1Vw1‬‬
‫‪E‬‬
‫‪ 149.73  Vw1  56.1m / s‬‬
‫‪g‬‬
‫• من مثلث السرعة عند المدخل ‪-:‬‬
‫•‬
‫‪ 1  6.1‬‬
‫‪v f1‬‬
‫‪vw1  u1‬‬
‫‪tan1 ‬‬
‫• من مثلث السرعة عند المخرج‬
‫•‬
‫•‬
‫‪  2  3.7 ‬‬
‫‪Vf 2‬‬
‫‪u1‬‬
‫‪tan  2 ‬‬
‫• ‪ -‬توربين فرانسيس ‪(Francis turbine) :‬‬
‫• توربين فرانسيس ]الشكل (‪[ )3.6‬هو احد االنواع المشهورة‬
‫لتوربينات رد الفعل وقد كان تصميمه في البداية كتوربين انسياب‬
‫نصف قطرى الى الداخل‪ ،‬إال أن التصميم المعمول به اآلن‪ ،‬هو أن‬
‫يكون االنسياب فى التوربين من نوع االنسياب المختلط ‪(mixed‬‬
‫)‪ ،flow‬حيث يدخل الماء الى الدوار عند القطر الخارجي في‬
‫اتجاه نصف القطر )‪ (radially‬ويكون مخرج الماء عند القطر‬
‫الداخلي في اتجاه المحور )‪ .(axially‬الشكل(‪ )3.6‬يوضح أن‬
‫منظومة التوجيه تتكون من حلقتين تحيطان بالدوار‪ :‬الحلقة‬
‫الخارجية تشتمل على مجموعة ريش مثبتة ( ‪stationary‬‬
‫‪ )vanes‬بينما تشتمل الحلقة الداخلية على مجموعة ريش قابلة‬
‫للضبط (‪.)adjustable vanes‬‬
‫• يتم رسم مخططات السرعة عند المدخل والمخرج لتوربين‬
‫فرانسيس بنفس الطريقة المستخدمة مع توربين االنسياب‬
‫النصف قطرى الى الداخل‪ ،‬كما يتم إيجاد القدرة والكفاءة بنفس‬
‫الطريقة‪.‬‬
‫• فى هذه التوربينات‪ ،‬عادة‪ ،‬ال يوجد تدويم عند المخرج وتكون‬
‫سرعة التدويم عند المخرج‪، v w2  0 ،‬‬
‫• وبالتالي فان سمت اويلر هو ‪:‬‬
‫• وتكون الكفاءة الهيدروليكية هي ‪:‬‬
‫‪u1v w1‬‬
‫‪E ‬‬
‫‪g‬‬
‫‪E u1v w1‬‬
‫‪n ‬‬
‫‪‬‬
‫‪H‬‬
‫‪gH‬‬
‫• عادة يستخدم توربين فرانسيس الدارة مولد كهربائي وعليه‬
‫يجب أن تكون سرعة الدوران ثابتة ‪ .‬عند التحميل الجزئي‬
‫ولمنع زيادة سرعة التوربين يتم إعادة ضبط ريش التوجيه‬
‫لتناسب السرعة المطلوبة وبالتالي تنخفض الكفاءة ويتوقع‬
‫وجود صدمات عند المدخل ‪ .‬يتم استخدام خزان تمور‬
‫)‪ (Surge tank‬أو صمام تحويل )‪ ( by bass valve‬في‬
‫هذه الحالة لتقليل اآلثار المترتبة على التغيير المفاجئ‬
‫للتحميل ( زيادة الضغط و ظاهرة الطرق المائى في خط‬
‫األنابيب )‪.‬‬
‫• يمتاز توربين فرانسيس عن توربين بلتون بأن حجم غرفة‬
‫التوليد )‪ (power house‬اصغر مقارنة بتوربين بلتون‬
‫لتوليد نفس مقدار القدرة الكهربائية‪ ،‬كما أن الكفاءة‬
‫الميكانيكية في توربين بلتون تتناقص بمعدل اكبر‪ ،‬نتيجة‬
‫للتآكل )‪ ،(wear‬مقارنة بتوربين فرانسيس‪ .‬ومن عيوب‬
‫توربين فرانسيس مقارنة بتوربين بلتون زيادة معدل التآكل‬
‫عند استخدام ماء يحتوى على جسيمات صلبة ‪(solid‬‬
‫)‪ particles‬تحت ضغط عالي‪ ،‬إضافة إلى ذلك تكون‬
‫عمليات الفحص والصيانة صعبة‪ ،‬كما أنه توجد خطورة‬
‫حدوث التكهف )‪ (cavitation‬وظاهرة الطرق المائي‬
‫)‪ ،(water hammer‬فى توربين فرانسيس أكثر مما فى‬
‫حالة توربين بلتون‪.‬‬
‫تصميم توربين فرانسيس )‪:(Design of Francis turbine‬‬
‫• عند تصميم دوار لتوربين فرانسيس يكون السمت المتاح‬
‫معلوم ويكون المطلوب هو تحديد حجم الدوار وزاوايا‬
‫الريش العطاء قدرة محددة عند سرعة دوران محددة‪.‬‬
‫إحدى الطرق التى يمكن إتباعها لتصميم دوار لتوربين‬
‫فرانسيس هى وضع إفتراضات لبعض العوامل والكميات‬
‫المتعلقة بالتوربين حسب ظروف التشغيل‪ ،‬ثم بعد ذلك يتم‬
‫إستخدام العالقات الرياضية إليجاد الكميات المطلوبة‪.‬‬
‫• فيما يلى ملخصا للخطوات التي يتم اتباعها (بصورة عامة)‪،‬‬
‫لتصميم دوار فرانسيس‪:‬‬
‫‪ -1‬افرض قيما مناسبة للعوامل االتية‪:‬‬
‫نسبة العرض الى القطر عند المدخل‪:‬‬
‫‪B1‬‬
‫‪n‬‬
‫‪D1‬‬
‫• (عادة تكون في المدى ‪)0.45 – 0.1‬‬
‫‪u‬‬
‫‪( ku ‬عادة تكون في المدى ‪)0.9 – 0.6‬‬
‫نسبة السرعة ‪:‬‬
‫‪2 gH‬‬
‫• نسبة االنسياب‪:‬‬
‫‪v f1‬‬
‫‪2 gH‬‬
‫‪( k ‬عادة تكون في المدى ‪)0.3 – 0.15‬‬
‫‪f‬‬
‫• الكفاءة الهيدروليكية‪ h ،‬‬
‫• الكفاءة الكلية‪( :  0 ،‬عادة تكون في المدى ‪)0.9 – 0.80‬‬
‫‪(:‬عادة تكون في المدى ‪)0.9 – 0.85‬‬
‫• معامل سمك الريش عند المدخل‪kt1،‬‬
‫(عادة يكون حوالي ‪)0.95‬‬
‫•‬
‫‪:‬‬
‫• ‪ -2‬اوجد معدل االنسياب المطلوب من العالقة‪:‬‬
‫‪P  o  gQH‬‬
‫• ‪ -3‬احسب سرعة االنسياب عند المدخل من العالقة‪:‬‬
‫‪2 gH‬‬
‫‪v f1  k f‬‬
‫• ‪ -4‬احسب مساحة االنسياب عند المدخل من العالقة‪:‬‬
‫‪Q  Af 1  v f 1‬‬
‫• ‪-5‬اوجد سمك الريشة عند المدخل بداللة القطراي أن‪B1  n D1 :‬‬
‫• ‪ -6‬اوجد المساحة الفعلية لالنسياب عند المدخل بداللة القطر‬
‫من العالقة ‪:‬‬
‫‪A f 1  kt1  D1 B1‬‬
‫•‬
‫• وبالتعويض عن ‪ B1‬يمكن التعبير عن مساحة االنسياب بالعالقة ‪:‬‬
‫‪A f 1  k t1  n D12‬‬
‫• ‪ -7‬وعليه فان القطر الخارجي للدوار هو ‪A f 1 :‬‬
‫‪k t1 n‬‬
‫‪D1 ‬‬
‫• ‪ -8‬باستخدام قيمة ‪ n‬التي تم افتراضها في الخطوة ‪ 1‬اوجد قيمة‬
‫عرض الدوار عند المدخل أى أن‪B1  nD1 :‬‬
‫• ‪ -9‬اوجد السرعة المماسية للدوار عند المدخل من العالقة ‪:‬‬
‫‪D1 N‬‬
‫‪60‬‬
‫‪u1 ‬‬
‫• ‪ -10‬اوجد سرعة التدويم عند المدخل من العالقة ‪:‬‬
‫‪v w1u1‬‬
‫‪h ‬‬
‫•‬
‫‪gH‬‬
‫‪ h gH‬‬
‫• اي ان‬
‫‪v w1 ‬‬
‫‪u1‬‬
‫• ‪ -11‬من مخطط السرعة عند المدخل ‪(inlet velocity‬‬
‫)‪ diagram‬اوجد مقدار زاوية ريش التوجيه ‪ 1‬وزاوية‬
‫ريش الدوار ‪ 1‬عند المدخل من العالقات االتية‪:‬‬
‫‪v f1‬‬
‫• ‪v f1‬‬
‫‪tan1 ‬‬
‫‪tan 1 ‬‬
‫‪vw1  u1‬‬
‫‪vw1‬‬
‫• ‪ -12‬افرض ان قطر الدوار عند المدخل ‪D1‬يكون ضعف‬
‫‪D1‬‬
‫‪:‬‬
‫ان‬
‫اي‬
‫‪D2‬‬
‫المخرج‬
‫عند‬
‫الدوار‬
‫قطر‬
‫‪D2 ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪u1‬‬
‫• وعليه فان ‪:‬‬
‫‪u2 ‬‬
‫‪2‬‬
‫• ‪ -13‬عادة يتم افتراض ان سرعة االنسياب عند المخرج‬
‫تساوى سرعة االنسياب عند المدخل كما ان معامل سمك‬
‫الريش عند المخرج يساوى معامل السمك عند المدخل‬
‫وباستخدام معادلة استمرارية االنسياب ‪(continuity‬‬
‫)‪ equation‬فان ‪:‬‬
‫‪Q  kt1 D1 B1v f 1  kt 2 D2 B2v f 2‬‬
‫•‬
‫• باعتبار االفتراضات اعاله فان ‪:‬‬
‫‪B2  2B1‬‬
‫• ا‪ -14‬وجد زاوية الريشة عند المخرج ‪  2‬من مثلث‬
‫السرعة عند المخرج )‪(outlet velocity triangle‬‬
‫بافتراض ان التصريف عند المخرج )‪ (discharge‬يكون‬
‫في اتجاه نصف القطر )‪ (radially‬اي ان ‪o‬‬
‫‪ 2  90‬‬
‫• وذلك من العالقة االتية‪:‬‬
‫‪vf2‬‬
‫‪tan  2 ‬‬
‫‪u2‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫مثال (‪)3.4‬‬
‫السمت المتاح لتوربين فرانسيس هو ‪ ، 12m‬معدل‬
‫للدوار‬
‫االنسياب هو ‪ ، 0.28m 3 / s‬القطر الخارجي ّ‬
‫يساوي ضعف قطره الداخلي ‪ ،‬سرعة االنسياب ثابتة‬
‫وتساوي ‪ 0.15 2 gH‬أي أن ‪v f 1  v f 2  0.15 2 gH‬‬
‫الدوار‬
‫الدوار عند المدخل نصف قطرية ‪ ،‬سرعة ّ‬
‫‪ ،‬ريش ّ‬
‫الدوار في اتجاه نصف القطر ‪.‬‬
‫‪ ، 300rpm‬يخرج الماء من ّ‬
‫يشكل سمك الريش ‪ 10%‬من المحيط ‪ ،‬الكفاءة‬
‫الهيدروليكية ‪80%‬‬
‫أوجد‪ -1 :‬زاوية ريش التوجيه‬
‫الدوار عند المخرج‬
‫‪ -2‬زاوية ريش ّ‬
‫الدوار عند المدخل والمخرج‬
‫‪ -3‬عرض ّ‬
v f 2  v f 1  0.15 2 gH
H  12m
 v f 2  v f 1  2.3m / s
:‫• الحل‬
E v w21 
tan 
1 

H  
H gH  tan 1 
v w21
0.8 
9.81 12
 v w1  u1  9.7m / s
:‫• من مثلث السرعة عند المدخل‬
vf
2.3
tan  
u1 9.7

,    13.3
1
 r2  r1
2
,u   r
:‫• وبما أن‬
1
 u 2  u1  4.85m / s
2
:‫• فإن‬
vf2
2 .3
t an  2 

u2
4.85
‫و‬
: ‫• من مثلث السرعة عند المخرج‬
  2  25.3
9.7
u1  9.7   r1 , r1 
 0.31m
2  300
60
Q  0.28  A1v f 1
A1  0.9   d1  b1
0.28  0.9   d1b1v f 1 
0.28
b1 
 0.069m
0.9    2  0.31 2.3

:‫• وبالمثل‬
0.28  0.9   d 2  b2  v f 2  b2  0.139m
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫ توربينات اإلنسياب المحوري )‪(Axial flow turbines‬‬‫تستخدم توربينات االنسياب المحوري مع معدل انسياب كبير‬
‫وسمت منخفض‪ .‬يكون للماء الداخل الى الدوار طاقة ضغط‬
‫باالضافة الى طاقة الحركة‪ .‬يدخل الماء الى الريش فى اتجاه‬
‫المحور ويخرج منها فى اتجاه المحور ويكون العمود فى وضع‬
‫رأسي‪ .‬يتم تثبيت الريش على صرة )‪ (hub‬عند الطرف األسفل‬
‫للعمود‪ .‬يكون مقطع ريشة الدوار فى شكل جسم انسياب هوائي‬
‫)‪ ،(air–foil section‬ويتم تصنيعها عادة من الفوالذ المقاوم‬
‫للصدأ )‪.(stainless steel‬‬
‫هنالك نوعان اساسيان لتوربينات االنسياب المحوري ‪-:‬‬
‫توربين الدفاعة المروحية )‪. (propeller turbine‬‬
‫توربين كابالن )‪. (Kaplan turbine‬‬
‫• فى هذه التوربينات‪ ،‬الشكل(‪ ،)3.7‬تكون كل األجزاء‬
‫• مثل ‪ :‬الغالف الخارجي )‪ .(casing‬منظومة التوجية‬
‫)‪ ،(guide mechanism‬أنبوب السحب )‪(draft tube‬‬
‫مشابهة لتلك لتى تستخدم مع توربين فرانسيس‪ .‬يكون‬
‫الضغط عند مدخل الريش أكبر من الضغط عند المخرج‪،‬‬
‫ويتم تحويل الطاقة من الماء الى التوربين اثناء انسيابه‬
‫خالل ريش الدوار وذلك بتأثير رد الفعل )‪.(reaction‬‬
‫• يكون عدد الريش فى تورينات االنسياب المحوري قليل‬
‫وبالتالي تكون االحمال على الريش كبيرة‪ .‬يتراوح عدد‬
‫الريش عادة بين ‪ 3‬و ‪ 10‬وكلما كان عدد الريش قليل‬
‫كانت سرعة الدوران عالية‪.‬‬
‫• اليوجد اطار خارجي )‪ (outer rim‬للدوار كما فى توربين‬
‫فرانسيس ولكن تكون الريس مطوقة )‪ (enclosed‬بواسطة‬
‫جسم اسطواني بحيث يكون الخلوص بين طرف الريشة‬
‫والجسم االسطواني صغير‪ .‬تتسبب ريش التوجيه فى احداث‬
‫تدويم )‪( (whirl‬أي يكون للماء المنساب حركة دائرية)‬
‫ينطبق عليه قانون الدوامة الحرة )‪،(law of free vortex‬‬
‫ويكون التدويم أكبر ما يمكن بالقرب من الصرة (‪)hub‬‬
‫واصغر ما يمكن عند طرف الريشة )‪ (blade tip‬و يكون‬
‫هنالك التواء )‪ (twist‬فى الريشة من الصرة (‪ )hub‬نحو‬
‫الطرف )‪(tip‬‬
‫‪ -3.5.1‬توربين الدفاعة المروحية )‪(propeller turbine‬‬
‫• عندما تكون الريش )‪ (blades‬مثبتة على الصرة بحيث‬
‫تكون زاويا المدخل والمخرج للريشة عند نصف قطر محدد‬
‫ثابتتان فى كل الحاالت ففى هذه الحالة يسمى التوربين‬
‫توربين الدفاعة المروحية‪،(propeller turbine) .‬‬
‫ويستخدم هذا النوع مع سمت منخفض يتراوح بين ‪4m‬‬
‫و‪ 40m‬ويكون معدل االنسياب كبير وسرعة الدوران‬
‫منخفضة‪.‬‬
‫• ‪ -‬توربين كابالن )‪(Kaplan turbine‬‬
‫• فى الحاالت التى يكون فيها التحميل على التوربين ثابت يكون‬
‫استخدام توربين الدفاعة المروحية مناسب ولكن عندما ينخفض‬
‫التحميل عن قيمة التصميم )‪ (design load‬تنخفض الكفاءة‬
‫بصورة كبيرة وذلك الن ريش الدوار مثبتة وبالتالي يدخل الماء‬
‫الى الريش بزاوية تختلف عن الزاوية التي تجعل السرعة‬
‫النسبية عند المدخل فى اتجاه المماس للريش وتحدث صدمات‬
‫)‪ (shocks‬عند المدخل‪ .‬أما فى توربين كابالن‪ ،‬تكون الريش‬
‫قابلة للضبط )‪ (adjustable‬على الزاوية المطلوبة ويتم ذلك‬
‫تلقائيا ً بواسطة آلية مؤازرة )‪ (servomechanism‬وبالتالي‬
‫يدخل الماء الى الريش دون احداث صدمات ‪(without‬‬
‫)‪ shocks‬وتظل الكفاءة عند قيمتها القصوي حتي فى حالة‬
‫التحميل الجزئي )‪.(part load‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫الشكل (‪ )3.8‬يوضح دوار توربين كابالن‪.‬‬
‫فى توربين كابالن تعرف نسبة الريش بالعالقة ‪:‬‬
‫حيث ‪ D :‬هو القطر الخارجي للدوار‬
‫‪ Dh‬قطر الصرة‬
‫تتراوح قيمة ‪ n‬عادة بين ‪ 0.35‬و ‪0.6‬‬
‫يعطي معدل االنسياب خالل التوربين‬
‫بالعالقة ‪:‬‬
‫‪Q A v‬‬
‫• أو‪:‬‬
‫‪f f‬‬
‫‪ 2 2‬‬
‫‪Q  D  Db  v f‬‬
‫‪4‬‬
‫‪Dh‬‬
‫‪n‬‬
‫‪D‬‬
‫• حيث ‪ v f :‬هي سرعة االنسياب والتى تكون ثابتة وتعطي‬
‫بالعالقة اآلتية‪:‬‬
‫•‬
‫‪V f  K f 2 gH‬‬
‫•‬
‫‪ K‬هو معامل االنسياب )‪ (flow ratio‬وتكون‬
‫•‬
‫‪f‬‬
‫قيمته عادة‬
‫•‬
‫‪K  0.7‬‬
‫‪f‬‬
‫• تكون حلقة ريش التوجيه(‪ ،)guide vane ring‬فى‬
‫مستوى متعامد على عمود التوربين ‪ ،‬كما فى توربين‬
‫فرانسيس‪ ،‬وبذلك يكون اإلنسياب خالل ريش التوجيه فى‬
‫إتجاه نصف القطر الى الداخل‪ .‬يكون الدوار عند مسافة‬
‫كافية‪ ،‬أسفل ريش التوجيه(‪ ،)downstream‬تمكن المائع‬
‫من اإلنحراف خالل زاوية قائمة ليكون اإلنسياب فى إتجاه‬
‫المحور كما يوضح الشكل(‪ .)3.8‬تكون ريش الدوار عادة‬
‫طويلة وذلك لتسمح بمعدل إنسياب كبير‪ ،‬وعليه يجب أن‬
‫تكون هذه الريش متينة لتقاوم األحمال الواقعة عليها‪ ،‬لذلك‬
‫يكون وتر الريشة كبير‪ ،)large blade chord( ،‬وتكون‬
‫نسبة الخطوة الى الوتر (‪ )pitch to chord‬عادة فى‬
‫المدى بين ‪ 1.0‬و ‪ ، 1.5‬لذلك يكون عدد الريش قليل‪.‬‬
‫• تكون السرعة النسبية عند المدخل فى إتجاه المماس المرسوم‬
‫على الريشة أو فى إتجاه زاوية اله ُبوب (‪،)angle of attack‬‬
‫لجسم اإلنسياب الهوائى المعنى‪.‬‬
‫• فى مثلث السرعة الموضح فى الشكل(‪ ،)3.9‬تكون سرعة‬
‫اإلنسياب‪)velocity of flow( ،v f ،‬عند المدخل وعند المخرج‬
‫متساوية و تكون فى إتجاه المحور‪ ،‬وتكون سرعة التدويم‬
‫(‪ ،)whirl velocity‬فى إتجاه المماس‪ .‬السرعة المماسية‬
‫للريشة عند المدخل والمخرج تكون ثابتة ولكنها تتغير على‬
‫إمتداد الريشة‪ ،‬مع نصف القطر‪ ،‬من الصرة نحو الطرف‪.‬‬
‫• أى أنه وعند نقطة محددة على الريشة فإن‪:‬‬
‫‪u1  u2  u   r‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫حيث‪  :‬هى السرعة الزاوية للدوار‬
‫‪ r‬هو نصف القطر عند النقطة المعنية‬
‫من معادلة أويلر‪ ،‬وفى حالة نقل الطاقة القصوى‪ ،‬فإن‪v 2  0 :‬‬
‫و ‪ ، v2  v f‬وعليه فإن الطاقة المحولة هى‪:‬‬
‫‪uvw1 uvf cot‬‬
‫‪E‬‬
‫‪‬‬
‫‪g‬‬
‫‪g‬‬
‫وبما أن ‪ ،E‬تكون ثابتة عند الطرف وعند الصرة‪ ،‬وأن سرعة‬
‫اإلنسياب‪ ، v f ،‬ثابتة ولكن سرعة الريشة‪ ،u ،‬تتغير مع نصف‬
‫القطر فهذا يعنى أن الزاوية ‪ ‬تتغير مع نصف القطر‪ ،‬أى أنه‬
‫يوجد إلتواء فى الريشة(‪ ،)twist‬حيث تكون الزاوية عند‬
‫الطرف(‪ ،)tip‬أكبر من الزاوية عند الصرة(‪.)hub‬‬
‫• مثال (‪)3.5‬‬
‫• توربين انسياب محوري تتم تغذيته بالماء تحت سمت كلي‬
‫للدوار ‪ 2m‬وسرعته ‪. 145rpm‬‬
‫‪ ، 35m‬القطر المتوسط ّ‬
‫يخرج الماء من ريش التوجيه بالزاوية ‪ 30‬بالنسبة التجاه‬
‫الدوران ‪.‬عند القطر المتوسط تكون زاوية الريشة عند‬
‫المخرج ‪.28‬إذا كان الفاقد في الغالف وريش التوجيه هو‬
‫‪ 7%‬من السمت الكلي وكانت السرعة تنخفض بمقدار ‪. 8%‬‬
‫أوجد زاوية المدخل للريشة عند القطر المتوسط والكفاءة‬
‫الهيدروليكية ‪.‬‬
‫• الحل‪:‬‬
H  0.93 35  32.6m
v1  2 gH  24.9m / s
 DN   2 145
u

 15.2m / s
60
60
‫• من مثلث السرعة‬
:‫• عند المدخل‬
v1 sin 30  vr1 sin 1  12.45
vr1 cos 1  v1 cos 30  u  21.56  15.2
 vr1 cos 1  6.36
‫• بقسمة المعادلة األولى على الثانية ‪:‬‬
‫‪ 1  63‬‬
‫• وبالتالي فإن ‪:‬‬
‫‪12.45‬‬
‫‪tan 1 ‬‬
‫‪6.36‬‬
‫‪12.45‬‬
‫‪vr1 ‬‬
‫‪ 14m / s‬‬
‫‪sin 1‬‬
‫‪vw1  v1 cos30  21.6m / s‬‬
‫‪vr 2  0.92 vr1  0.9214  12.9m / s‬‬
‫• ومن مثلث السرعة عند المخرج‪:‬‬
vw 2  u  vr 2 cos  2

 15.2  12.9 cos 28  3.8m / s
E
u
vw1  vw2 
n  
H gH
15.2
21.6  3.8
n 
9.81 35
 n  78.8%
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫مثال(‪)3.6‬‬
‫توربين كابالن ينتج قدرة مقدارها‪ 11772kW :‬تحت سمت‬
‫فعال ‪ ، 20 m‬القطر الخارجي للدوار ‪ 3.5 m‬وقطر الصرة ‪.1.75m‬‬
‫زاوية ريش التوجية عند المدخل ‪ ، 35‬الكفاءة الهيدروليكية‬
‫‪ 89%‬والكفاءة الكلية ‪ .88%‬ال يوجد تدويم عند المخرج‬
‫أوجد ‪-:‬‬
‫زاويتي المدخل والمخرج للريشة عند الطرف‬
‫سرعة الدوران‪.‬‬
‫• الحل ‪:‬‬
P  11772  .gQH
11772
Q
 71.4 m 3 / s
9.84  9810  20
 2
Q  D  Db2 V f 1  71.4 m 3 / s
4

Vf1 
tan1 

71.4  4
 9.9 m / s
2
2
 3.5  1.75
Vf1
Vw1


-: ‫• من مثلث السرعة عند المدخل‬
 Vw1  14.14m / s
v f1
9.9
tan 1 

 1  78
u w1  u1 14.14  12.21
u1vw1
h 
 u1  12.21m / s
gH
‫• من مثلث السرعة عند المخرج ‪-:‬‬
‫‪Vf 2‬‬
‫‪9.9‬‬
‫‪tan  2 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪  2  39‬‬
‫‪u 2 12.21‬‬
‫• سرعة الدوران ‪-:‬‬
‫‪ D N‬‬
‫‪60‬‬
‫‪u1  u 2 ‬‬
‫‪60  12.21‬‬
‫‪N‬‬
‫‪ 66.6 r. p.m.‬‬
‫‪  3.5‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫مثال(‪:)3.7‬‬
‫قطر الدوار فى توربين دفاعة مروحية ‪ .4.5m‬وسرعة‬
‫الدوران ‪ ، 48rpm‬زاوية ريش التوجيه عند المدخل ‪145‬‬
‫وزاوية ريش الدوار عند المخرج ‪ . 25‬مساحة االتسياب‬
‫‪2‬‬
‫‪30m‬‬
‫‪ .‬تكون ريش الدوار عند المدخل‬
‫خالل الدوار‬
‫نصف قطرية أوجد ‪:‬‬
‫الكفاءة الهيدروليكية‪.‬‬
‫معدل التصريف خالل التوربين‪.‬‬
‫القدرة الناتجة‪.‬‬
‫• الحل ‪-:‬‬
 D N
u 2  u1  u 
 11.31m / s
60
-: ‫• من مثلث السرعة عند المدخل‬

tan35 
Vf1
u1
 v f 1  7.92m / s
Vw1  u1  11.31m / s
V
f1
 V f 2 , u1  u2 
tan  2 
Vf 2
u2  Vw2
-: ‫• من مثلث السرعة عند المخرج‬
7.92

 Vw2  5.67 m / s
11.32  Vw2
V2  V f22  Vw22  9.74 m / s
1
E  u1Vw1  u 2Vw2  
g
-:‫• سمت اويلر‬
1
11.31  11.31  11.31  5.67   6.5 m
E
9.81
v22
9.742
H E
 6.5 
 11.33m
2g
2g
E
6.5
h  
 57.5 %
H 11.33
Q  A1v f 1  237.6m 3 / s
P   g Q E  9810 237.6  6.5  15.15MW
‫• أنبوب السحب )‪(Draft tube‬‬
‫• فى توربينات رد الفعل يكون للماء الخارج من الدوار طاقة‬
‫لم تتم االستفادة منها بواسطة التوربين ‪ ،‬وإلسترجاع هذه‬
‫الطاقة يتم استخدام انبوب السحب والذي يعرف بأنه انبوب‬
‫يتم تركيب أحد طرفيه على التوربين عند مخرج الدوار‬
‫(‪ ، (runner out let‬ويكون الطرف اآلخر مغموراً تحت‬
‫سطح الماء فى القناة السفلي )‪ . (tailrace‬تتزايد مساحة‬
‫المقطع لهذا االنبوب تدريجيا ً من طرف الدوار ‪(runner‬‬
‫)‪ end‬وتكون اكبر ما يمكن عند الطرف المغمور فى القناة‬
‫السفلي )‪.(submerged end‬‬
‫• هنالك نوعان رئيسيان النبوب السحب‪ :‬النوع المخروطي‬
‫)‪(conical type‬؛ و النوع المرفقي )‪.(Elbow type‬‬
‫• ‪ -‬أنبوب السحب المخروطي )‪(conical draft tube‬‬
‫• فى هذا النوع يتم تصريف الماء من الدوار رأسيا ً الى القناة‬
‫السفلي ويكون االنبوب فى شكل مخروط )‪ .(conical‬يمكن‬
‫ان يكون السطح الخارجي للمخروط فى اتجاه المحور‬
‫مستقيم ويسمي فى هذه الحالة انبوب سحب مخروطي‬
‫مستقيم )‪ ،(straight conical draft tube‬كما يوضح‬
‫الشكل(‪ .)3.10‬ويمكن ان يكون فى شكل منحني وفى هذه‬
‫الحالة يتم تركيب جسم مخروطي صلب ‪(solid central‬‬
‫)‪core‬داخل االنبوب ويسمي فى هذه الحالة انبوب السحب‬
‫الناشر )‪ ،(spreading draft tube‬كما فى‬
‫الشكل(‪.)3.11‬‬
‫• ‪ -‬النوع المرفقي )‪(Elbow draft tube‬‬
‫• فى هذا النوع ينساب الماء الخارج من الدوار اوالً فى‬
‫االتجاه الرأسي الى أسفل ثم ينحرف داخل االنبوب ليتم‬
‫التصريف فى االتجاه االفقي داخل القناة السفلي‪ .‬تتزايد‬
‫مساحة مقطع االنبوب تدريجيا ً من الطرف المثبت على‬
‫الدوار نحو الطرف المغمور فى القناة السفلي‪ .‬يكون مقطع‬
‫االنبوب عند الطرف المثبت على الدوار مستديراً‬
‫)‪ (circular‬ويكون المقطع عند الطرف المغمور مستديراً‪،‬‬
‫او مستطيالً )‪ ،(rectangular‬كما فى الشكل(‪. )3.12‬‬
‫•‬
‫•‬
‫• عادة يكون الجزء االفقي من االنبوب مائالً الى اعلى ليتم التصريف‬
‫بالقرب من سطح الماء فى القناة السفلي‪ .‬يقوم انبوب السحب بتمرير‬
‫الماء الخارج من الدوار الى القناة السفلي وباالضافة الى ذلك يؤدي‬
‫انبوب السحب الوظائف التالية‪-:‬‬
‫•‬
‫• ‪ -1‬يسمح بوضع التوربين فى موقع مرتفع عن مستوي القناة السفلي‬
‫دون فقد فى السمت وبذلك تكون عمليات الفحص والصيانة للتوربين‬
‫سهلة‪.‬‬
‫• ‪ -2‬يقوم بتحويل نسبة كبيرة من طاقة حركة الماء الخارج من التوربين‬
‫الى طاقة ضغط وبالتالي يزيد السمت الفعال على التوربين ويزيد‬
‫القدرة الناتجة وبالتالي تزيد كفاءة التوربين‪.‬‬
‫•‬
‫• الشكل (‪ ،)3.13‬ادناه يوضح انبوب سحب مخروطي مستقيم ‪.‬‬
‫• افرض ان ‪-:‬‬
‫• ‪Hs‬‬
‫•‬
‫•‬
‫• ‪y‬‬
‫•‬
‫•‬
‫• ‪Pa‬‬
‫•‬
‫هو ارتفاع المخرج من الدوار )‪(runner outlet‬‬
‫عن سطح الماء فى القناة السفلي )‪.(tailrace‬‬
‫هو البعد بين الطرف االسفل النبوب السحب وبين‬
‫سطح الماء فى القناة السفلي‪.‬‬
‫هو الضغط الجوي عند سطح الماء فى القناة السفلي‪.‬‬
‫• المقطع ‪ ،2-2‬يمثل المخرج من الدوار ومدخل انبوب السحب‪،‬‬
‫• المقطع ‪ ،3-3‬يمثل مخرج انبوب السحب‪.‬‬
‫• بتطبيق معادلة برنولي )‪(Bernollui's equation‬للمقطعين‪:‬‬
‫‪ 2-2‬و ‪ 3- 3‬باعتبار ان الخط المرجعي )‪ (datum line‬هو‬
‫المقطع ‪ 3-3‬فان ‪-:‬‬
‫‪P3 v32‬‬
‫‪P2 v22‬‬
‫‪‬‬
‫‪ y2 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪ hf‬‬
‫‪g 2 g‬‬
‫‪g 2 g‬‬
‫• حيث ‪:‬‬
‫‪ h f‬هو الفاقد فى السمت بين المقطعين ‪ 2-2‬و ‪3-3‬‬
‫‪ ‬هى الكثافة‬
‫‪ v2‬هي سرعة الماء عند المقطع ‪( 2-2‬مدخل انبوب السحب)‬
‫‪ v3‬هي سرعة الماء عند المقطع ‪( 3-3‬مخرج انبوب السحب)‬
2 2

v2  v3
P2 P3

  y2 
 hf
 2g
g g

P3
Pa

y
g g




: ‫• وعليه فأن‬
،
: ‫• ولكن‬
:‫• و بالتالى تصبح المعادلة أعاله كما يلى‬
•
2
2


P
v

v
P2
a 
2
3


 y  y2  
 hf 
 2g

g g


‫• يسمي الحد ‪  y2  y ‬بالسمت السكوني النبوب السحب‬
‫)‪(static head‬ويرمز له بالرمز ‪H s‬‬
‫‪ v22  v32 ‬‬
‫• بينما يسمي الحد‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪2g‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫• بالسمت الديناميكي )‪. (dynamic head‬‬
‫• وعليه فأن ‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪Pa‬‬
‫‪v‬‬
‫‪‬‬
‫‪v‬‬
‫‪2‬‬
‫‪3‬‬
‫‪‬‬
‫•‬
‫‪ Hs ‬‬
‫‪ hf ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 2g‬‬
‫‪‬‬
‫‪P2‬‬
‫‪‬‬
‫‪g g‬‬
‫• يتضح من المعادلة اعاله ان الضغط ‪ ،‬عند المقطع ‪ 2-2‬يكون‬
‫أقل من الضغط الجوي‪.‬‬
‫• تعرف كفاءة انبوب السحب بانها نسبة طاقة الحركة المسترجعة‬
‫والمحولة الى طاقة ضغط الى طاقة الحركة عند مدخل االنبوب‬
‫اي ان ‪:‬‬
‫‪gain in pressure head‬‬
‫‪d ‬‬
‫‪velocity head at entrance of the draft tube‬‬
‫أو‪:‬‬
‫‪ v22  v32‬‬
‫‪‬‬
‫‪ hf ‬‬
‫‪‬‬
‫‪2g‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪d ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪v2‬‬
‫‪2g‬‬
‫• التكهف (‪)Cavitation‬‬
‫• تحدث ظاهرة التكهف فى التوربينات عند نقطة محددة‬
‫عندما ينخفض الضغط المطلق )‪(absolute Pressure‬‬
‫عند النقطة المعنية إلى قيمة تساوي او تقل عن ضغط‬
‫البخار )‪ (vapour pressure‬للماء عند درجة الحرارة‬
‫المعينة ‪ .‬في هذه الحالة تتكون جيوب هوائية )‪(bubbles‬‬
‫ويحدث غليان للماء‪ .‬تتحرك هذه الجيوب الهوائية مع الماء‬
‫المنساب حيث تنفجر )‪ (collapse‬عندما تصل إلى منطقة‬
‫ضغط عالي‪ .‬ويتسبب ذلك فى إحداث إهتزاز(‪،)vibration‬‬
‫وضوضاء شديد (‪ ،)noise‬في أجزاء التوربين المختلفة ‪.‬‬
‫• يؤدى إنفجار الجيوب الهوائية إلن يتحرك السائل المجاور‬
‫بسرعة عالية جدا‪ ،‬وعند إصطدامه بالجدار المعدنى للجزء‬
‫المعنى‪ ،‬تكون هنالك قوى عالية تؤثر على الجدار المعدنى‪ ،‬و‬
‫يتسبب ذلك فى تآكل(‪ ،)wear‬و تنقر (‪ ،)pitting‬السطوح‬
‫المعدنية‪ ،‬إضافة الى أن ذلك يؤدى أيضا إلى فقدان الطاقة‬
‫وانخفاض الكفاءة ‪.‬‬
‫• فى حالة توربينات رد الفعل (‪ )reaction turbines‬فإن‬
‫الضغط يكون أصغر ما يمكن عند مخرج الدوار(‪)runner exit‬‬
‫و مدخل أنبوب السحب(‪.)draft tube inlet‬‬
‫• الشكل(‪ )3.14‬يوضح أنبوب سحب مخروطى مستقيم‬
‫(‪.)straight conical draft tube‬‬
pi
Hs
p at
‫• أفرض أن‪:‬‬
‫‪ pi‬هو الضغط عند مدخل أنبوب السحب‪.‬‬
‫‪ H s‬هو سمت السحب (‪ )suction head‬عند مدخل‬
‫األنبوب ويساوى اإلرتفاع الرأسى لمدخل أنبوب السحب‬
‫عن سطح الماء فى القناة السفلى (‪.)tailrace‬‬
‫‪p‬‬
‫‪at‬‬
‫هو الضغط الجوى‪.‬‬
‫من الشكل أعاله يمكن التعبير عن الضغط عند مدخل أنبوب‬
‫السحب بالعالقة اآلتية‪:‬‬
‫•‬
‫‪Pi  Pat  gHS‬‬
‫• اذا كان ضغط البخار هو ‪ Pvap‬فان التكهف يحدث عندما‬
‫يكون ‪ Pi  Pvap :‬وبالتالي يكون السمت المطلق المتاح‬
‫قبل بداية التكهف هو الفرق ‪Pi  Pvap :‬‬
‫‪g‬‬
‫• يعرف هذا الفرق بسمت السحب الموجب الصافي‪،‬‬
‫• )‪Net Positive Suction Head (NPSH‬‬
‫• وعليه فان ‪:‬‬
‫‪Pi  Pvap‬‬
‫‪g‬‬
‫‪Pat   gH S  Pvap‬‬
‫‪g‬‬
‫‪NPSH ‬‬
‫‪‬‬
:‫• أو‬
Pat Pvap
NPSH 

 HS
•
g g
: ‫( بالعالقة اآلتية‬Cavitation coefficient) ‫يعرف معامل التكهف‬
NPSH
 
H
.‫ هو السمت الصافى للتوربين‬H ‫• حيث‬
Pat / g  Pvap / g  H s
: ‫• أي أن‬

•
H
H at  H vap  H s
‫• أو‬

H
•
Thoma's Cavitation (‫• يعرف معامل التكهف أيضا ب‬
. ،)Factor

Th
‫• عندما يكون الضغط ‪ Pi‬مساويا ً للضغط ‪ Pvap‬فان النسبة أعاله‬
‫تعرف بمعامل التكهف الحرج ‪(Critical cavitation‬‬
‫)‪ ،  c ، coefficient‬والذي يعطى بالعالقة ‪:‬‬
‫•‬
‫‪Pat / g  Pi / g  H S‬‬
‫‪c ‬‬
‫‪H‬‬
‫• لتفادي حدوث التكهف ‪ ،‬فان الضغط ‪ Pi‬يجب أن يكون اكبر من‬
‫ضغط البخار ‪ ، Pvap‬أي أن‪.    c :‬‬
‫• العالقات المذكورة أدناه هى عالقات تقريبية لتحسيب معامل‬
‫التكهف الحرج‪.‬‬
‫• توربينات اإلنسياب النصف قطرى‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫•‬
‫‪Ns ‬‬
‫‪‬‬
‫‪ c  0.625‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 380.78 ‬‬
‫• توربينات اإلنسياب المحورى‪:‬‬
‫‪3‬‬
‫‪1  N ‬‬
‫‪ c  0.28    s  ‬‬
‫‪ 7.5  380.78  ‬‬
‫• فى هذه العالقات تكون وحدات القياس المستخدمة للسرعة‬
‫النوعية ‪ N‬هى‪.) m , kW , rpm(:‬‬
‫‪s‬‬
‫• مثال(‪:)4.8‬‬
‫• قطر الدخل النبوب سحب مخروطي مستقيم ‪ 1.2m‬وقطر‬
‫المخرج ‪ 1.8m‬يخرج الماء من االنبوب بسرعة ‪، 3 m / s‬‬
‫الطول الكلي النبوب السحب ‪ 7.2m‬منه ‪ 1.44m‬مغمور‬
‫داخل الماء فى القناة السفلي‪ ،‬سمت الضغط الجوي ‪10.3m‬‬
‫من الماء ‪ .‬فاقد االحتكاك فى انبوب السحب يعادل ‪20%‬‬
‫من سمت السرعة عند مخرج االنبوب ‪.‬‬
‫• أوجد‪ -1 :‬سمت الضغط عند المدخل‪ -2 ،‬كفاءة انبوب‬
‫السحب‪.‬‬
:‫الحل‬
v2  3 m / s
H  7.2  1.44  5.76 m
v
0.2  3
h  0.2

 0.092m
2 g 2  9.81
 d 2
3
3
2
Q  A2 v2 
2
4
 3  7.63m / s
Q 7.63
u1  
 6.75m / s
2
A1  d i
2 2


P1 Pa
v

v
1
2

 Hs  
 hf 
 2g

g g


 6.752  32

P1
  10.3  5.76  
 0.092  2.77 m a b s 
 2g

g


 v 2 v 2 h f
 1 2
2g


d 
2
v2
2g



  76.3 %