Transcript Document
آالت هيدروليكية2 المستوى الدراسى الخامس • الباب االول النظرية األساسية للتوربينات الهيدروليكية)(Basic theory of hydraulic Turbines • -تعريف: • التوربين الهيدروليكي هو عبارة عن محرك اساسي( .المحرك االساسي ) (Prime moverيقصد به اي آلة تقوم باالستفادة من الطاقة الخام المتوفرة في المواد وتحويلها الى طاقة ميكانيكية) .يشتمل التوربين الهيدروليكى أساسا على دوار( ،)runnerمثبتة عليه مجموعة ريش(.)blades • يسمح للماء والذى تتوفر فيه طاقة هيدروليكية بالدخول الى الدوار ،و خالل إنسياب الماء عبر هذه الريش يتم تحويل الطاقة الهيدروليكية المتوفرة في الماء الى طاقة ميكانيكية في صورة عمود دوار ) . (rotating shaftتعرف التوربينات الهيدروليكية ايضا بالتوربينات المائية (Water ) turbinesوذلك الن المائع المستخدم هو الماء. • تستخدم الطاقة الميكانيكية الناتجة في تشغيل مولد كهربائي يتصل مباشرة مع عمود التوربين حيث يتم تحويل الطاقة الميكانيكية الى طاقة كهربائية يمكن نقلها خالل ابراج )(Transmission Towersوخطوط نقل ) (Transmission linesعبر مسافات بعيدة الى مناطق االستهالك. -2.1محطات القدرة الكهرومائية (hydro-electric )power plants • تعتبر محطات القدرة الكهرومائية من مصادر الطاقة التي تكون فيها تكلفة التشغيل قليلة مقارنة بمحطات القدرة الحرارية ) ،( Thermal power plantsكما انها تعتبر من مصادر الطاقة النظيفة والتي ال تتسبب في تلوث بيئي االا انها تكون عادة من المشاريع الكبيرة ذات التكلفة االنشائية العالية كما ان تكلفة نقل الطاقة الكهربائية تكون كبيرة وذلك الن المصادر المائية تكون بعيدة عن مناطق االستهالك .الشكل( )1.1يوضح رسما تخطيطيا لمحطة قدرة كهرومائية والتى تتكون من المكونات األساسية اآلتية: • الخزان )(Dam • الخزان هو عبارة عن جسم خرساني ضخم يتم تشييده على نهر ويقوم بتخزين الماء في بحيرة تقع اعلى الخزان ) .(upstreamيجب ان تكون سعة البحيرة بحيث يكون هنالك امدادا من الماء يكفي لتشغيل التوربينات وبالتالي توليد الكمية المطلوبة من الطاقة الكهربائية على مدار السنة. يتوقف شكل وحجم الخزان على طبيعة الموقع ،السمت ومعدل االنسياب المطلوب .تزود الخزانات ببوابات تقوم بتنظيم انسياب الماء باالضافة الى منظومة تخلص من الماء الزائد .من الجوانب المهمة في الخزانات هو اعتبار امكانية ازالة الرواسب والطمى من البحيرة بالقرب من جسم الخزان. • األنبوب الناقل ): ( Penstock • وهو عبارة عن أنبوب ذات مقطع ) (cross sectionكبير يتم تصنيعه من الفوالذ او االسمنت المسلح ينقل الماء تحت ضغط عالي من بحيرة الخزان (أو أى مصدر آخر) الى موقع التوربين في غرفة التوليد ويكون اعلى التوربين ). (upstreamيسمى سطح الماء في البحيرة "."headrace (أحيانا يسمى الطرف األعلى من األنبوب الناقل ايضا " . )"headraceعادة يتم تركيب خزانات تمور )(surge tanks على االنبوب الناقل قبل غرفة التوليد مباشرة للتحكم في تراوح الضغط و تقليل اآلثار المترتبة على ظاهرة الطرق المائي .( water hammer). • غرفة التوليد ):(Power house • • تشتمل غرفة التوليد على التوربينات والمولدات واجهزة التحكم الملحقة بها .يقوم التوربين بتحويل الطاقة الهيدروليكية الى طاقة ميكانيكية ويقوم المولد ) ( generatorوالذي يتصل مباشرة مع عمود التوربين بتحويل الطاقة الميكانيكية الى طاقة كهربائية .يعتمد اختيار موقع غرفة التوليد على عدة عوامل منها :الحيز المتاح ،سهولة حركة وسائل النقل ...الخ كما ان حجم الغرفة يعتمد على السمت المتاح ،نوع وحجم وعدد الوحدات المستخدمة . • يمكن ان يتم تصميم التوربين بحيث يكون العمود في وضع افقي ) (horizontal shaft turbineوفي هذه الحالة تكون كل التركيبات في نفس المستوى (على ارضية واحدة) مما يسهل عمليات الفحص والصيانة او اي تعديالت تتم في غرفة التوليد . أما في حالة الوضع الراسي لعمود التوربين (vertical ) shaft turbineفتكون عمليات توصيل انبوب التغذية للماء الواصل الى التوربين وانبوب السحب للماء الخارج من التوربين سهلة اضافة الى ذلك تكون المولدات في موقع أعلى سطح الماء مما يسهل عملية فحصها وصيانتها. القناة السفلى ()Tailrace القناة السفلى هى مستودع الصرف الذى يتم فيه تصريف الماء الخارج من التوربين ويتم ذلك عبر قناة أو أنبوب كبير المقطع و يعتمد ذلك على نوع التوربين المستخدم. تكون القناة السفلى أسفل التوربين( .)downstreamيسمى سطح الماء فى القناة السفلى أيضا ب(.)tailrace تصنيف التوربينات الهيدروليكية ) ( classification of hydraulic turbines من االسس المهمة التي يتم بناءا عليها تصنيف التوربينات الهيدروليكية هو نوع الطاقة المتوفرة في الماء عند مدخل التوربين ) .(turbine inletوعلي هذا االساس يتم تصنيف التوربينات الى نوعين: توربين دفعي:(impulse turbine) : في هذا النوع يتم تحويل الطاقة اوال بتحويل كل السمت المتاح عند مدخل التوربين الى طاقة حركة (kinetic ) energyثم بعد ذلك تنتقل طاقة الحركة من الماء عبر ريش التوربين لتكون في صورة طاقة ميكانيكية في عمود التوربين ويكون ضغط الماء بين المدخل والمخرج للتوربين ثابتا عند الضغط الجوي ).(atmospheric pressure توربين رد فعل ):(reaction turbine في هذا النوع يمر الماء خالل ريش توجيه (guide ) vanesومنها الى الدوار ) (runnerحيث يكون للماء الداخل الى التوربين طاقة ضغط )(pressure energy باالضافة الى طاقة حركة وبالتالي يكون الدوار دائما مليئا بالماء تحت ضغط عالي وباستمرار انسياب الماء عبر ريش التوربين تتحول طاقة الضغط الى طاقة حركة وعليه فان الضغط يكون متغيرا داخل الدوار. هنالك اسس اخرى يتم بناءا عليها تصنيف التوربينات الهيدروليكية .مثل : #التصنيف على اساس اإلنسياب داخل الدوار: توربين إنسياب مماسى ()tangential flow turbine توربين إنسياب نصف قطرى ()radial flow turbine توربين إنسياب محورى ()axial flow turbine توربين إنسياب مختلط ()mixed flow turbine #التصنيف على اساس السمت المتاح: توربين سمت عالي )(high head turbine توربين سمت متوسط )(medium head turbine توربين سمت منخفض )(low head turbine #التصنيف على اساس وضع عمود التوربين : توربين عمود راسي )(vertical shaft turbine توربين عمود افقي ))horizontal shaft turbine #التصنيف على اساس السرعة النوعية : توربين سرعة نوعية منخفضة )(low specific speed turbine توربين سرعة نوعية متوسطة)(medium specific speed turbine توربين سرعة نوعية عالية )(high specific speed turbine معادلة أويلر )(Euler's Equation كل أنواع الدوار فى التوربينات تشتمل على قرص أو أسطوانة مثبتة عليها مجموعة من الريش ) (bladesوتتحرك هذه الريش نتيجة لحركة المائع ،إما بواسطة الدفع ) (impulseأو رد الفعل ) )reactionفي كل األحوال هنالك قوى مؤثرة على الريش وبما ان الريش مثبتة على الدوار فان نقل عزم الدوران ) (torqueيكون نتيجة لمعدل التغيير في • كمية الحركة الزاوية (rate of change of angular ) . momentumتعتمد النظرية األساسية للتوربينات الهيدروليكية على افتراض أن سرعة االنسياب داخل الدوار تعتمد فقط على نصف القطر أي انه يمكن اعتبار التغيير الذي يحدث في السرعة فقط عند المدخل ) (Inletوالمخرج )(Outlet .الشكل( )1.5أدناه يوضح مخططات السرعة عند المدخل والمخرج لدوار إنسياب نصف قطرى )(radial flow runner يدور بسرعة زاوية ثابتة. • يدخل المائع إلى الريش خالل سطح إسطواني نصف قطره r1وينساب بسرعة مطلقة v1باتجاه يميل بالزاوية على المماس المرسوم عند المدخل .يخرج المائع من الريش خالل سطح إسطواني نصف قطره r2بسرعة مطلقة v2 باتجاه يميل بالزاوية على المماس المرسوم عند المخرج . هى زاوية الريشة عند المدخل و هى زاوية الريشة عند المخرج .يشتمل مخطط السرعة عند المدخل على رسم السرعة المطلقة v1بالزاوية وبطرح السرعة المماسية للريشةعند المدخل u1يتم الحصول على السرعة النسبية ( vr1وهى سرعة المائع بالنسبة للريشة عند نصف القطر ،)r1والتى تميل بنفس زاوية الريشة عند المدخل.) ( ، • يمكن تحليل السرعة المطلقة v1إلى مركبتين :إحداهما في اتجاه نصفر القطر وتسمى مركبة نصف قطرية ) (radial componentأو سرعة االنسياب (velocity ) of flowويرمز لها بالرمز ، vf1واألخرى في اتجاه المماس وتسمى المركبة المماسية (tangential ) componentأو سرعة التدويم )(velocity of whirl ويرمز لها بالرمز .vw1بنفس الطريقة يتم رسم مخطط السرعة عند المخرج مع استخدام الرقم ( )2للداللة على السرعات عند المخرج . • • • • • • من قانون نيوتن الثاني للحركة : عزم الدوران = معدل التغيير في كمية الحركة الزاوية . كمية الحركة الخطية للمائع في اتجاه المماس هي m vw . الثانية. حيث mهى كتلة المائع المنساب في . وعليه فإن كمية الحركة الزاوية = m vw .r وبالتالى تكون كمية الحركة الزاوية عند المدخل هي : . r w1 1 mv . • وكمية الحركة الزاوية عند المخرج هي: • عزم الدوران المحول من الماء الى الدوار هو : m vw2 r2 T m vw1r1 vw2r2 . • الشغل المبذول في الثانية (القدرة المنقولة ) هو : Et T mvw1r1 vw2 r2 . هى السرعة الزاوية • حيث • أى أن: Et m u1vw1 u2 vw2 • • معدل تحويل الطاقة في وحدة الوزن هو : Et . W E • حيث هو وزن المائع المنساب في الثانية ( ) W m g u2 vw2 u1 vw1 • وعليه فإن: E . . g • أو 1 E u2vw2 u1 vw1 g • تعرف المعادلة أعاله بمعادلة أويلر )،(Euler,s equation ). (Euler,s head و تعرف الكمية Eبسمت أويلر • و هى تمثل القدرة النظرية الناتجة فى وحدة الوزن ( .)Theoretical power per unit weight • درجة رد الفعل )(Degree of reaction • من معادلة برنولي و بإهمال الفاقد يمكن كتابة المعادلة اآلتية: P1 v12 P2 v22 E g 2g g 2g • • حيث P2 , P1هما الضغط عند المدخل والمخرج من التوربين على التوالي. • • • • • • v2 , v1هما السرعات عند المدخل والمخرج على التوالي . هى الطاقة المحولة من الماء إلى E التوربين في وحدة الوزن. هى كثافة السائل. • أى أن: P1 P2 V12 V22 E g 2g • • إذا كان الضغط ثابت أي أن P1 P2 • v12 v22 E 2g • إذا كانت السرعة ثابتة أي فان : • P1 P2 E • g فان : (توربين دفعي) (توربين رد فعل) • توصف الحاالت المتوسطة بين ضغط ثابت وسرعة ثابتة بدرجة رد الفعل ، R ،والذي يعرف بالعالقة اآلتية : static pressure drop R Total Energy Transfere P1 P 2 / g R E p1 p2 • وبالتعويض عن الكمية g • بالعالقة: or P1 P2 V12 V22 E g 2g • فأن: V V / E 1 2 gE 2 2 2 1 V V R E 2g 2 2 2 1 • من معادلة أويلر وبإفتراض التحويل األقصى للطاقة ( أى أن ) v 2 0فإن u1vw1 : E • g • وبالتالى تصبح معادلة درجة رد الفعل كما يلى: 2 2 • v1 v2 2vw1u1 R 1