Transcript Document
• الباب الثانى • -2التوربينات الدفعية ):(Impulse turbines • -2.1تعريف: • التوربين الدفعي هو التوربين الذى يعمل نتيجة لدفع الماء ) .(impulseفي التوربين الدفعي ينساب الماء من بحيرة الخزان خالل خط انابيب ثم عبر منظومة توجيه ثم الى منفث ) . (nozzleوعليه فان كل السمت المتاح في الماء يتحول الى طاقة حركة خالل المنفث والذى يتم تثبيته قريبا ً من الدوار • يقوم المنفث بتوجيه النفث المائي ) (water jetالى الريش المثبتة على محيط الدوار في اتجاه المماس .يصطدم النفث المائي بالريش عند سرعة عالية وبالتالي تنتقل الطاقة من الماء الى الدوار بواسطة الدفع المائي على الريش .يكون الضغط عند المخرج هو نفس الضغط عند مدخل الريش ويكون مساويا ً للضغط الجوي (atmospheric .pressure).من التوربينات المعروفة والمستخدمة كثيرا فى محطات القدرة الكهرومائية هو توربين بلتون ) .(Pelton turbineالشكل ( ) 2.1أدناه يوضح رسما توضيحيا لمحطة هيدرومائية يستخدم فيها توربين بلتون. • -توربين بلتون ) :(Pelton turbine • توربين بلتون هو توربين دفعى()impulse turbine ويكون اإلنسياب فيه إنسياب مماسى ()tangential flow يصنف توربين بلتون بأنه توربين سمت عالى ( high )head turbineوسرعة نوعية منخفضة ( low .)specific speedويعتبر من االمثلة المعروفة للتوربينات الدفعية .الشكل( )2.2يوضح رسما تخطيطيا لتوربين بلتون و الذى يتكون من االجزاء االساسية االتية : دوار)،(runner غالف خارجي)،(casing منفث)، (nozzle نفث كابح )(Breaking jet • -الدوار ): (runner • الدوار هو عبارة عن قرص دائري يتم تثبيته على عمود التوربين ويتم تثبيت ريش على المحيط الخارجي لهذا القرص .تكون الريشة في شكل قدح ) (bucketمزود بجدار فاصل ) (splitterعند منتصف القدح في اتجاه نصف القطر كما يوضح الشكل( ،)2.3وبذلك يكون مخرج الريشة مزدوج ويساعد ذلك في التخلص من الحمل المحوري على العمود والمحامل. • يمكن تصنيع الريش من حديد الصب ) (cast ironاو سبائك البرونز ) (bronzeاو الفوالذ المقاوم للصدأ ) .(Stainless steelيجب أن يكون سطح الريش ناعم ) ،(smoothوذلك لتقليل االحتكاك .يمكن ان يتم صب الريش والقرص كوحدة واحدة ولكن عادة يتم تصنيع الريش كوحدات منفصلة ويتم بعد ذلك تثبيتها على محيط الدوار بواسطة مسامير مما يسهل عملية الصيانة حيث يمكن فقط استبدال الريشة او الريش التي يحدث فيها تآكل أو أى تلف آخر دون االحتياج الى تغيير كل الدوار. • -المنفث ): (nozzle • المنفث( ،الشكل( ،))2.4هو عبارة عن جزء معدني يتم تثبيته عند نهاية االنبوب الناقل للماء من المصدر ويكون مخرج المنفث مستدير المقطع حيث يخرج النفث المائي عند سرعة عالية ليصطدم بريش الدوار. • يستخدم توربين بلتون عادة الدارة مولد كهربائي عند سرعة ثابتة بغض النظر عن مقدار التحميل الواقع على المولد وحتى تكون السرعة ثابتة فان اي تغيير في مقدار التحميل يجب ان يصاحبه تغيير مناظر في مقدار القدرة المحولة من الماء الى التوربين لذلك فان المنفث في توربين بلتون مزود بابرة مخروطية (spear or ) conical needleيمكن ان تتحرك في اتجاه المحور وذلك للتحكم في كمية الماء المنساب خالل المنفث وبالتالي في مقدار القدرة المحولة من الماء الى التوربين . • .تتسبب حركة االبرة الى االمام في تقليل مساحة االنسياب وبالتالي تخيض معدل االنسياب في النفث الخارج بينما تتسبب حركة االبرة الي الخلف في زيادة معدل االنسياب .يتم التحكم في حركة االبرة يدويا ً او بواسطة منظومة تحكم اتوماتيكي .تتطلب ظروف التشغيل احيانا ان يتم قفل المنفث فجاءة ويتم ذلك بواسطة االبرة ويؤدى ذلك الى ارتفاع مفاجئ في ضغط الماء في االنبوب الناقل وقد يؤدى ذلك الى انفجار االنبوب وحتى ال يحدث ذلك يتم استخدام منفث جانبي ) (bypass nozzleليتم من خالله امرار الماء دون ان يصطدم بريش الدوار .احيانا يتم استخدام لوحة حارفة ) (Deflecting plateكما يوضح الشكل( ،)2.5لتغيير اتجاه النفث الخارج من المنفث جزئيا ً ثم بعد ذلك يتم ضبط االبرة في الوضع المطلوب. • -3االطار الخارجي ):(casing وظيفة االطار الخارجي في توربين بلتون هي حماية الدوار وعزله بعيدا عن إحداث اي اصابات كما يعمل االطار الخارجي لعدم تشتت الماء الخارج من الريش وتصريفه الى مستودع الصرف (القناة السفلى) ) . (tail raceوبالتالي فان االطار الخارجي في توربين بلتون ليست له اي وظيفة هيدروليكية . يتم تصنيع االطار الخارجي من حديد الصب ) (cast ironاو االلواح الفوالذية ).(steel plates • -4النفث الكابح ):(Braking Jet • عندما يراد ايقاف الدوار عن الدوران فانه يتم قفل المنفث نهائيا ً او تحويل االنسياب عبر المنفث الجانبي او باستخدام اللوحة الحارفة ولكن يظل الدوار في حالة دوران لفترة طويلة بسبب خاصية القصور الذاتي ) .(inertiaوعليه وحتى يتم ايقاف الدوار خالل فترة قصيرة يتم استخدام نفث كابح يخرج من منفث صغير الحجم نسبيا ً ليصطدم بالسطح الخلفي للريش وبالتالي يتسبب في تخيض سرعة دوران الدوار حتى يكون في حالة سكون خالل فترة قصيرة. • -القدرة والكفاءة ):(Power and efficiency عندما ينساب الماء تحت سمت ( )Hومعدل إنسياب • ( ،)Qفإن القدرة المتوفرة فى هذا الماء تعطى بالعالقة: gQH • • حيث هى الكثافة. • فى الشكل( ،)2.1يعرف السمت المتاح للتوربين عند المدخل ،H ،بالسمت الفعال ) (effective headاو السمت الصافي ) (net headويعطي بالعالقة االتية : H H g hf h حيث H g :هو السمت الكلي ويساوي الفرق بين مستوى سطح الماء في بحيرة الخزان )(headrace • ومستوى سطح الماء في القناة السفلى ).(tail ace • • hهو ارتفاع المنفث عن سطح الماء في القناة السفلى )(tail race • • h fهو السمت الكلي المفقود نتيجة لالحتكاك والعوامل االخرى مثل الصمامات ) (valvesاالنحناءات • )(elbowsوالتركيبات االخرى في خط االنابيب، • تكون هذه الفقودات عادة صغيرة مقارنة بفقداالحتكاك لذلك يتم اهمالها وبالتالي يكون السمت الفاقد هو سمت االحتكاك ويعطي بالعالقة االتية: 2 4 fL v hf . d 2g • حيث Lهو طول االنبوب الناقل )(penstock dهو قطر االنبوب • vهي سرعة االنسياب في االنبوب. • fهو معامل االحتكاك في االنبوب. • • تعطي سرعة النفث الخارج من المنفث بالعالقةv1 Cv 2gH : • • حيث Cvهو معامل السرعة )(velocity coefficient ويتراوح عادة بين 0.97و 0.99 • من معادلة اويلر فان الطاقة المحولة من الماء الى التوربين تعطي بالعالقة االتية: u1 v w1 u 2 v w2 E g • • • • • • حيث v w1 vw2 u1 u2 هي المركبة المماسية للسرعة المطلقة للماء عند المدخل(سرعة التدويم عند المدخل) هي المركبة المماسية للسرعة المطلقة للماء عند المخرج (سرعة التدويم عند المخرج) هى السرعة المماسية للدوار عند المدخل هى السرعة المماسية للدوار عند المخرج • وبما ان السرعات المماسية عند المدخل والمخرج تحدثان عند نفس نصف القطر فان : DN u1 u 2 u 60 • حيث D :هو قطر الدوار. Nهي سرعة الدوران. • • و عليه فإن معادلة أويلر تصبح كما يلى: u • E v v w2 w1 g • الشكل( )2.5أدناه يوضح مخططات السرعة عند المدخل ( )inletو المخرج( )outletللريشة فى توربين بلتون. • • • • • • • • فى هذا الشكل: v1هى السرعة المطلقة عند المدخل v 2هى السرعة المطلقة عند المخرج v r1هى السرعة النسبية للماء عند المدخل v r2هى السرعة النسبية للماء عند المخرج يتضح من مخطط السرعة عند المدخل أن: vw1 v1 vr1 v1 u : ومن مثلث السرعة عند المخرج vw2 u vr 2 cos180 u vr 2 cos vr 2 kvr1 k v1 u : كما أن . هو معامل النخفاض في السرعة النسبية نتيجة لالحتكاكk حيث Vw2 u k v1 u cos u E v1 u k v1 u cos g u E v1 u k v1 u cos g u E v1 u 1 k cos g او • المعادلة أعاله توضح انه ال يوجد تحويل طاقة اذا كانت سرعة الريش صفر او تساوي سرعة النفث أى: u 0 او u v1 • الطاقة الداخلة (طاقة الحركة ) فى وحدة الوزن هي : v12 K .E. 2g • الدوار هي : كفاءة ّ v1 u 1 k cos 2u v12 • تكون الطاقة المحولة عند قيمتها القصوى عندما تكون المشتقة األولى لمعادلة الطاقة المحولة تساوى dE • صفرا ،أى أن: zero du 0 1 k cos g d 2 uv u 1 du v1 2u 0 • أى أن الكفاءة القصوى تحدث عندما 1 u v1 2 1 • وعليه فإن الكفاءة القصوى هي max 1 k cos : 2 • في الحالة المثلى فإن: 180 , k 1 • وبالتالى تكون الكفاءة القصوى هى: max 100% • عمليا يوجد احتكاك و تكون قيمة kعادة بين 0.8و 0.85 • إضافة الى ذلك ولتفادي التداخل بين النفث الداخل والنفث الخارج تكون الزاوية أقل من ، 180عادة تكون حوالي • 165وعليه فان الكفاءة القصوى تحدث عندما تكون u حوالى ، 0.46أى أن : النسبة v1 u 0.46 v1 • يمكن التعبير عن الكفاءة الهيدروليكية ايضا بالعالقة االتية: E h H • حيث Eهو سمت اويلر Hهو السمت المتاح للتوربين عند المدخل (السمت • الفعال) • • • • • الكفاة الميكانيكية )( Mechanical efficiency تعطى القدرة المتولدة بواسطة الدوار بالعالقةgQa E : حيث Qهو معدل االنسياب الفعلي خالل الدوار. Eهو سمت أويلر تكون القدرة المتوفرة في عمود التوربين ) (Pأقل من القدرة المتولدة بواسطة الدوار وذلك نتيجة للفقد الناتج عن االحتكاك في المحامل وغيرها وبالتالي فان القدرة المتوفرة في العمود تقل عن القدرة المتولدة بواسطة الدوار بمقدار الفاقد الميكانيكي ) (Mechanical lossويعبر عن ذلك بالكفاءة الميكانيكية والتي تعطي بالعالقة: P m gQa E • تتراوح الكفاءة الميكانيكية في توربين بلتون بين 0.97و 0.99وتعتمد علي سعة وحجم التوربين. • الكفاءة الحجمية )(Volumetric • يكون حجم الماء الفعلي المنساب خالل الدوار Qa اقل من حجم الماء الكلي المنساب خالل النفث Qوذلك نتيجة للتسرب ) (leakageويعبر عن ذلك بالكفاءة الحجمية والتي تعطي بالعالقة االتية: Qa v Q • • تتراوح الكفاءة الحجمية في توربين بلتون بين 0.97 و0.99 • الكفاءة الكلية )(Overall efficiency • تعرف الكفاءة الكلية بنسبة القدرة المتاحة في عمود التوربين الي القدرة المتاحة في النفث المائي الداخل الي P : ان اي التوربين gQ H o • ومن المعادالت أعاله يمكن كتابة الكفاءة الكلية في الصورة Qa P E P االتية : Q gQa E H gQH o • اي ان : o h m v • اذا كانت كفاءة المولد الكهربائي هي g فان القدرة الخارجة من محطة التوليد هي: og gQH يعرف حاصل الضرب o gبكفاءة المحطة الهيدرومائية ).(hydroelectric plant efficiency • -3بعض الجوانب المتعلقة بتصميم توربين بلتون: • في عملية تصميم توربين بلتون يجب اعتبار النقاط االتية: • -1تعطي سرعة النفث عند مدخل التوربين بالعالقة االتية: v1 Cv 2gH • حيث Cvهو معامل السرعة ))velocity coefficient ويتراوح عادة بين 0.98و 0.99 • Hهو السمت المتاح عند مدخل التوربين • • - 2تعطي السرعة المماسية لعجلة الدوار بالعالقة: u ku 2gH • • • • حيث kuهي نسبة السرعة وتتراوح بين 0.43و 0.48 -3تكون زاوية انحراف النفث خالل الريش عادة o 165 ما لم تذكر قيمة اخري -4يعطي القطر المتوسط لعجلة الدوار )(mean diameter أو قطر الخطوة )(pitch diameter 6ou بالمعادلة االتية: D • N • • حيث Nهي سرعة الدوران ).(rpm • 5-تعرف نسبة النفث ) (Jet ratioبنسبة القطر المتوسط للدوار ) (Dالي نسبة النفث )(d D m ويرمز لها بالرمز mاي ان: • d • • تكون قيمة نسبة النفث عادة 12ولكنها يمكن ان تاخذ اي قيمة بين 11و 16 • عادة يستخدم منفث واحد في توربين بلتون ولكن يمكن استخدام عدد اكبر اذا كان المطلوب هو توليد قدرة اكبر بواسطة نفس الدوار .نظريا يمكن استخدام 6منافث ولكن عمليا يمكن استخدام منفثين اذا كان الدوار في وضع راسي و 4منافث اذا كان الدوار في وضع افقي .في حالة المنافث المتعددة يكون معدل االنسياب خالل المنفث الواحد مساويا لمعدل االنسياب الكلي مقسوما علي عدد المنافث. • يكون عدد الريش المثبتة علي عجلة الدوار كافيا بحيث تتحقق حالة إستمرار إصطدام النفث المائي دائما بالريش وذلك حتي تكون قيمة الكفاءة الحجمية كبيرة .يعطي عدد الريش ) (zبالعالقة: D Z 15 15 0.5m 2d • • حيث Dهو قطر عجلة الدوار dهو قطر النفث • العالقات االتية توضح االبعاد االساسية للريشة والموضحة في الشكل (:)2.3 • B 3d ~ 4d • L 2d ~ 3d T 0.8d ~ 1.2d • • • • مثال (:)2.1 توربين بلتون ينقل قدرة 3750 kWعند السرعة 375 rpmهنالك نفثان متشابهان .السمت من مستوى الخزان إلى المنفث 200mكفاءة األنبوب الناقل والمنفث . 90% يكون النفث مماسا ً لدائرة قطرها . 1.45mتنخفض ّ السرعة النسبية بمقدار . 10%زاوية انحراف النفث في 165 Cv 1 ، أوجد: الريش الساكنة الدوار، -1كفاءة ّ -2قطر النفث الواحد. 2u 2 v1 u 1 k cos v1 v1 Cv 2 gH H 0.9 200 180m v1 2 9.8 180 59.5 m / s DN 1.45 375 u 28.5 m / s 60 60 59.5 28.51 0.9 cos 165 59.52 2 28.5 98.1% الحل P 3750 Pi 3825 kW 0.981 3825 1912 .5 kW 2 v v d 2 W . gAv1 . v1 2g 2g 8 2 1 2 1 2 d 3 1912.5 1000 59.5 8 2 d 0.152 m • • • • • • • مثال()2.2 توربين بلتون يتم تزويده بالماء خالل انبوب ناقل طوله . 4 kmوقطره .1 mالسمت الكلي للتوربين ،400 m معامل االحتكاك لالنبوب الناقل 0.008قطر النفث، 0.15 mزاوية انحراف النفث . 165تنخفض السرعة النسبية للماء عند المخرج نتيجة لالحتكاك فى الريش بمقدار ، 15%نسبة السرعة 0.45و الكفاءة الميكانيكية . 85%أوجد -: -1القدرة المحولة من الماء الى الدوار -2القدرة الناتجة عن التوربين -3الكفاءة الهيدروليكية -4الكفاءة الكلية • مثال()2.3 • توربين بلتون يتم تشغيله خالل منفثين وينتج قدرة مقدارها ، 14.45 MWقطر النفث الواحد ، 0.2mالسمت الصافي ) (net headللتوربين ، 400mبفرض ان معامل السرعة ،Cv=1.0أوجد الكفاءة الكلية للتوربين . • • • • • • مثال()2.4 السمت الكلي لتوربين بلتون ، 250mومعدل االنسياب ، ، 4 m3 / sيشتمل التوربين على دوارين ويتم تشغيل كل منهما بواسطة منفثين لهما نفس القطر .طول االنبوب الناقل ،3kmكفاءة نقل القدرة خالل االنبوب الناقل والمنفث ، 91%كفاءة كل دوار ، 0.9معامل السرعة لكل منفث .Cv 0.975معامل االحتكاك لالنبوب الناقل: ،4f=0.004أوجد -: القدرة الناتجة عن التوربين قطر النفث وقطر االنبوب الناقل () 0.955 m ، 0.14 m • • • • • • مثال()2.5 توربين بلتون يعمل بواسطة نفثان متشابهان تحت سمت فعال 420mوينتج قدرة مقدارها . 4.8MWسرعة الدوران .480rpmينحرف النفث خالل الريش بالزاوية 165الكفاءة الكلية للتوربين . 85%معامل السرعة للمنفث ، 0.97نسبة السرعة . 0.46السرعة النسبية للماء عند المخرج تعادل 86%من السرعة النسبية عند المدخل .أوجد -: قطر النفث الواحد قطر دائرة الخطوة للريش الكفاءة الهيدروليكية للتوربين • • • • • • مثال()2.6 توربين بلتون مزود بنفث مفرد ويقوم بتشغيل مولد كهربائي لتوليد قدرة مقدارها . 10 MNالسمت المتاح عند المنفث ،وكفاءة ، 760mكفاءة المولد الكهربائي 95% ، التوربين ، 87%معامل السرعة للمنفث 0.97 السرعة المتوسطة للريش تعادل 0.46من سرعة النفث . ينحرف النفث بواسطة الريش خالل زاوية مقدارها . 165السرعة النسبية للماء عند مخرج الريشة تعادل 0.85من السرعة النسبية عند المدخل أوجد -: معدل االنسياب )2( ،قطر النفث ( )3القوة المؤثرة على الريش بواسطة الماء ( )4افضل سرعة متزامنة ( (synchronous speedللتوليد بذبذبة ، 50 Hzوالقطر المتوسط المناظر للريش اذا كانت نسبة القطر المتوسط للريش الى قطر النفث ال تقل عن . 10