دانلود تحقیق توربو ماشینها

برای آن که امتداد جریانی را منحرف کنیم یا سرعت آن را تغییر دهیم ، باید نیرویی به آن وارد کنیم .

هنگامی که یک پره متحرک امتداد جریانی را منحرف می کند و مومنتم آن را تغییر می دهد ، نیرویی از پره به سیال یا بعکس از سیال به پره وارد می شود .

با حرکت پره و جابجا شدن نیرو ، کار انجام می شود .

اساس کار توربوماشین ها بر مبنای همین اصل است .

پمپها ، دمنده ها و کمپرسورها بر روی سیال کار انجام می دهند و بر انرژی آن می افزایند .

توربین های آبی ، گازی و بخاری انرژی سیال را می گیرند و به انرژی مکانیکی روی محور گردنده تبدیل می کنند .

کوپلینگ سیالی و مبدل گشتاور ، متشکل از یک پمپ و یک توربین هستند و برای انتقال ملایم قدرت مکانیکی به کار می روند .

تبدیل انرژی در توربوماشین ها پیوسته است .

درطراحی توربوماشین ها هم از تئوری بهره می گیرند و هم از آزمایش .

با کاربرد تئوری تشابه می توان از طرح ماشینی که دارای ابعاد و سرعت دورانی مشخصی است و کارآمد بودن خود را در عمل نشان داده است استفاده کرده ، ماشین های مشابه دیگری با ابعاد و سرعت های متفاوت طراحی نمود .

در این گزارش ابتدا تشابه هندسی و تشابه کاری توربوماشین ها را تعریف کرده ، روابط تشابه را به دست می آوریم .

سپس تئوری کسکیدها و به دنبال آن تئوری توربوماشین ها را ارائه می دهیم .

آنگاه به ترتیب به بررسی توربین های عکس العملی ، پمپها و دمنده ها ، توربین های ضربه ای و کمپرسورهای سانتریفوژ می پردازیم .

در انتها نیز پدیده کاویتاسیون را شرح خواهیم داد .

ماشینهای مشابه ، سرعت مخصوص
دو توربو ماشین را درنظر بگیرید که دارای تشابه هندسی باشند یعنی با ضرب ابعاد هندسی یکی از آنها در عدد ثابتی ، ابعاد هندسی متناظر ماشین دیگربه دست آید .

اگر این دو ماشین طوری کار کنند که خطوط جریان آنها نیز تشابه هندسی داشته باشند ، گوییم دو ماشین تشابه کاری دارند .

در این صورت بین مشخصات کاری دو ماشین نیز تشابه وجود خواهد داشت .

برای آنکه بتوانیم در طراحی یک توربوماشین نمونه از اطلاعات مربوط به مدل آن استفاده کنیم ،
بایستی مدل و نمونه علاوه بر تشابه هندسی ، تشابه کاری نیز داشته باشند .

متأسفانه مجبوریم از اثرات لزجت صرف نظر کنیم ، زیرا عموما نمی توان هم دو شرط فوق الذکر را برقرار کرد و هم اعداد رینولدز مدل و نمونه را برابر نمود .

در صورتی که خطوط جریان در دو ماشین مشابه باشند ، دیاگرام سرعت ها در ورود به یا خروج از پروانه های دو ماشین مشابه خواهند بود .

در شکل(1) دیاگرام سرعت ها در خروجی پروانه یک پمپ نشان داده شده است .

حال با نشان می دهیم .

استفاده از این شکل ، شرط تشابه الگوی جریان را فرمول بندی می کنیم .

زاویه پره را به
نشان می دهیم .

سرعت مطلق سیال از جمعِ u و سرعت محیطی پروانه را به v سرعت سیال نسبت به پره را به
نشان می دهیم .

مولفه سرعت مطلق در امتداد شعاعیV به دست می آید .

سرعت مطلق سیال را به u و v برداری
نشان می دهیم .

متناسب با دبی است .

زاویه سرعت مطلق با سرعت محیطی را به Vr نشان می دهیم .

Vr را به
در آنها یکسان باشد و شرط تشابه کاری ایجاب می کند شرط تشابه هندسی دو ماشین ایجاب می کند که زا ویه
در آنها یکسان باشد .

که زاویه





و دبی حجمی D، قطر پروانه N در ماشین های مشابه را می توانیم بر حسب سر عت دورانی شرط برابری
بیان کنیم .

Q جریان
.

Vr متناسب است با u و V متناسب است با Vr ثابت ، است ، پس به ازای Vr = Vsin چون
را می توان به صورت زیر بیان کرد : بنابراین شرط برابری




متناسب است با Vr ، پس D2 برابر است با دبی تقسیم بر سطح جریان .

چون سطح جریان 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 طرفی
لذا رابطه فوق را می توان به صورت زیر بیان کرد :

این رابطه شرط تشابه کاری ماشین های مشابه است .

بیان کنیم .

برای این کار از فرمولA و یک سطح مقطع مثل H دبی ماشین های مشابه را می توانیم بر حسب ارتفاع
اریفیس یعنی :
Q = CdA

برای ماشین های مشابه می توان نوشت :Cd استفاده می کنیم .

با ثابت فرض کردن


با تغییر عدد رینولدز تغییر کمی می کند .

به همین دلیل راندمان ماشین هایCd است .

البته D2 متناسب با A زیرا
مشابه با ابعاد مختلف کمی متفاوت است .

تغییر راندمان با تغییر عدد رینولدز را اثر مقیاس گویند .

در ماشین های کوچکتر ، شعاع هیدرولیکی مجاری کوچکتر است ، لذا عدد رینولدز جریان کمتر است ، از این رو ضریب اصطکاک بزرگتر است و بنابراین راندمان کمتر می باشد .

اختلاف راندمان مدل و نمونه می تواند 1تا 4 در صد باشد .

در تئوری تشابه از اثر مقیاس صرفنظر می شود و لذا برای تعیین راندمان نمونه از روی راندمان مدل باید از روابط تجربی استفاده کرد .

از معادلات بالا به دست می آوریم :Qبا حذف


ذیلا برای روشن تر شدن موضوع ، روابط تشابهی فوق را با استفادعه از آنالیز ابعادی به دست می آوریم .

به دست آوردن روابط تشابه با استفاده از آنالیز ابعادی
متغیرهای موثر در جریان تراکم ناپذیر در یک توربو ماشین عبارتند از : جرم مخصوص و لزجت سیال ، قطر و سرعت دورانی پروانه ، دبی ، ارتفاع و قدرت ماشین .

رابطه بین متغیرها به صورت زیر قابل بیان است :
f را قرار داده ایم که معرف انرژی بر واحد جرم است .

gH که معرف انرژی بر واحد وزن است ، H در این رابطه به جای با انجام آنالیز ابعادی به دست می آوریم : F() = 0 با چشم پوشی از اثرات لزجت می توانیم از عدد رینولدز صرفنظر کرده، بنویسیم : F گروه های بی بعد فوق به ترتیب ضریب دبی ، ضریب ارتفاع و ضریب قدرت نامیده می شوند .

به طوری که دیدیم شرط تشابه کاری دو ماشین ، برابری ضریب دبی آنهاست .

در آن صورت ضریب ارتفاع دو ماشین نیز برابر خواهد بود و همچنین ضریب قدرت آنها .

نمودارهایی که تغییرات ارتفاع ، قدرت و راندمان ماشین را در مقابل دبی نشان می دهند ، منحنی های مشخصه نامیده می شوند .

با استفاده از روابط تشابه می توان منحنی های مشخصه یک ماشین را از روی منحنی های مشخصه ماشین مشابه دیگری با ابعاد و سرعت متفاوت به دست آورد .

منحنی های مشخصه را می توان در دستگاه مختصات بی بعد را درe و را به عنوان محور افقی انتخاب کرده ، رسم کرد .

برای این کار مقابل آن رسم می کنند .

با چشم پوشی از اثر مقیاس منحنی های مشخصه بی بعد برای تمام ماشین های مشابه یکسان است .

سرعت مخصوص در انتخاب نوع توربو ماشین ها و در طراحی مقدماتی آنها به طور گسترده ای از یک پارامتر تشابهی به نام سرعت مخصوص استفاده می شود .

سرعت مخصوص ، عددی است ثابت که برای ماشین های مشابه یکسان است .

سرعت یک دسته پمپNsمخصوص پمپها و توربین ها را معمولا به صورت های متفاوتی تعریف می کنند .

سرعت مخصوص مشابه طبق تعریف عبارت است از سرعت پمپی از آن دسته که دارای چنان ابعادی باشد که دبی واحد را به ارتفاع واحد را حذف می کنیم :D پمپاژ نماید .

برای به دست آوردن فرمول سرعت مخصوص ، در معادلات فوق ، معرف سرعت دورانی پمپی خواهد بود H=1 و Q=1 را از این رابطه حذف کنیم ، مقدار ثابت طرف دوم به ازای gاگر که دبی واحد را به ارتفاع واحد پمپاژ می کند و این همان سرعت مخصوص است : سرعت مخصوص در نقطه حداکثر راندمان تعریف می شود .

یعنی در رابطه فوق مقادیر سرعت , دبی و ارتفاع مربوط به نقطه حداکثر راندمان هستند .

سرعت مخصوص بی بعد پمپها را به صورت زیر می توان تعریف کرد : سرعت زاویه ای بر حسب رادیان بر ثانیه است .

سرعت مخصوص بی بعد مستقل از سیستم آحاد است .که در آن سرعت مخصوص یک دسته توربین مشابه طبق تعریف عبارت است از سرعت توربینی که تحت ارتفاع واحد , توان واحد , پس می توان نوشت :QH متناسب است با P را تولید نماید .

چون را حذف کنیم , به عبارت زیر می رسیم :Q و D اگر در معادلات فوق , معرف سرعت دورانی توربینی H=1 و P=1 را از این رابطه حذف کنیم , مقدار ثابت طرف دوم به ازای g و اگر خواهد بود که تحت ارتفاع واحد و توان واحد را تولید می کند و این همان سرعت مخصوص است .

سرعت مخصوص بی بعد توربین ها به صورت زیر تعریف می شود : با استفاده ازمعادلات اخیر , می توان سرعت مخصوص ماشینی را که برای دبی معلوم و ارتفاع معین لازم است , تخمین زد .

پمپهایی که دبی آنها زیاد و ارتفاعشان کم است , سرعت مخصوصشان زیاد است .

توربین هایی که ارتفاع آنها زیاد و توان تولیدی شان کم است , سرعت مخصوصشان کم است .

تجارب عملی حاکی از آن است که برای حصول حداکثر راندمان , معمولا به ازای هر سرعت مخصوص باید از یک تیپ خاص پمپ یا توربین استفاده کرد .

سرعت مخصوص پمپهای سانتریفوژ کم , پمپهای مختلط متوسط و پمپهای محوری زیاد است .

سرعت مخصوص توربین های ضربه ای کم , توربین فرانسیس متوسط و توربین های محوری زیاد است .

از آنجا که معادلات فوق از نظر ابعادی همگن نیستند , مقدار عددی سرعت مخصوص به واحدهای به کار رفته بستگی دارد .

در سیستم متریک برای بیان مقادیر عددی سرعت مخصوص , ارتفاع را بر حسب متر , دبی را بر حسب متر می باشد .rpm مکعب بر ثانیه , قدرت را بر حسب کیلو وات و سرعت دورانی را بر حسب تئوری کسکیدها در توربو ماشین ها , سیال در یک دسته پره متحرک جریان می یابد و بدین ترتیب به طور مداوم بر روی آن کار انجام می شود و یا از آن کار گرفته می شود .

یک ردیف از پره های مشابه را اصطلاحا کسکید گویند .

با بررسی جریان در کسکید می توان برخی شرایط لازم برای کارآمد بودن توربوماشینها را دریافت .

ابتدا جریان در کسکید مستقیم ساکن را بررسی می کنیم .

با عبور سیال از این کسکید , امتداد جریان آن تغییر می کند .

نیرویی به سیال وارد می شود , اما با صرف نظر کردن از اثرات اصطکاک و درهمی , کاری بر روی آن انجام نمی شود .

در توربوماشین ها ، پره ها به طور متقارن بر روی پیرامون یک دایره قرار دارند .

لذا حال جریان در کسکید دایره ای ساکن را بررسی می کنیم .

فرض کنید سیال در امتداد شعاعی به کسکید نزدیک شود .

در این صورت گشتاور مومنتم آن در ورودی صفر است .

با عبور سیال از کسکید ، گشتاور مومنتم آن تغییر می کند .

میزان تغییر گشتاور و مومنتم بستگی دارد .

پس داریم : و دبی جرمی جریان r، شعاع خروجی Vtسیال به مولفه مماسی سرعت خروجی در این حالت نیز کسکید کاری بر روی سیال انجام نمی دهد .

دوران می کند .

حال یک کسکید دیگر در نظر می گیریم که در داخل کسکید ساکن قرار دارد و با سرعت زاویه ای برای کارآمد بودن سیستم ، بایستی سیال با حداقل اغتشاش وارد مجاری پره های متحرک شود .

به عبارت دیگر سیال باید در امتداد مماسی وارد شود .

اگر سرعت نسبی سیال در ورود به پره مماس بر آن نباشد ، ممکن است پدیده جدایی رخ دهد .

جدایی جریان از روی پره ها باعث می شود که لایه مرزی ضخیم شود و سرعت در آن به صفر برسد .

این امر باعث بروز تلفاتی به نام تلفات شوک می شود .

با انحراف جریان از امتداد مماسی ، تلفات شوک ( تقریبا متناسب با مجذور انحراف زاویه ای) افزایش یافته ، راندمان ماشین کاهش می یابد .

حتی وقتی امتداد سرعت نسبی ورودی مماس بر پره باشد نیز ،