تحقیق در مورد توربوماشینها

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 تحقیق در مورد توربوماشینها دارای ۲۵ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد تحقیق در مورد توربوماشینها  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی تحقیق در مورد توربوماشینها،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن تحقیق در مورد توربوماشینها :

توربوماشینها

مقدمه
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 ـ یا بعکس از سیال به پره ـ 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(۱) 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 ۱تا ۴ 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 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 ، اغلب به علت انحنای پره یا واگرایی مجاری جریان ، جدایی رخ می دهد . با عبور جریان از کسکید

متحرک ، به طور کلی هم مقدار سرعت تغییر می کند و هم امتداد آن . بدین ترتیب گشتاور مومنتم جریان تغییر می نماید و سیال بر روی کسکید کار انجام می دهد و یا بعکس کسکید بر روی سیال کار انجام می دهد . در توربین ها مطلوب است که گشتاور مومنتم سیال خروجی از چرخ ، صفر باشد . این گفته قدیمی در زمینه طراحی توربین شهرت یافته است : ” سیال بدون شوک وارد شود و بدون سرعت خارج شود.”

طراحی توربوماشینها مستلزم تعیین شکل هندسی مناسب برای مجاری جریان و پره هاست ، به طوری که ماشین مشخصات تعیین شده را با حداکثر راندمان ممکن ارائه نماید . هر طرح بخصوص به نوع کار ماشین ، دانسیته سیال و مقدار کاری که بر واحد جرم آن انجام می شود ، بستگی دارد .

تئوری توربوماشین ها
توربین ها از انرژی سیال کار مفید می گیرند . پمپها ، دمنده ها و توربوکمپرسورها به انرژی سیال می افزایند . این عمل در یک چرخ انجام می شود . چرخ از تعدادی پره تشکیل شده است که به یک محور متصل شده اند . از آنجا که پره ها فقط در امتداد مماسی جابجا می شوند ، کار به واسطه جابجایی مولفه مماسیِ نیروی وارد به چرخ انجام می شود . مولفه شعاعی نیروی وارد به چرخ ، در امتداد شعاعی جابجا نمی شود ودر نتیجه نمی تواند کاری انجام دهد .

برای ارائه تئوری توربو ماشین ها فرض می کنیم که مجاری چرخ ، سیال را کاملا هدایت می کنند . به عبارت دیگر فرض می کنیم که چرخ دارای بی نهایت پره با ضخامت صفر باشد . در این صورت سرعت نسبی سیال همواره مماس بر پره خواهد بود . با این فرض جریان ، تقارن دایره ای خواهد داشت . پس حجم کنترلی را برمی گزینیم که شامل چرخ باشد . معادله گشتاور مومنتم برای جریان دائمی و متقارن در این حجم کنترل به صورت ساده زیر در می آید :

گشتاور مومنتم خروجی از حجم کنترل گشتاور وارد به سیال داخل حجم کنترل است . T که در آن
گشتاور مومنتم ورودی به حجم کنترل می باشند . و
برای بیان روابط از دیاگرام سرعت ها بهره می گیریم . هریک از دیاگرامها را می توان با یک مثلث نمایش داد . اندیس v سرعت محیطی چرخ و u سرعت مطلق سیال , V 1 را برای ورودی و اندیس ۲ را برای خروجی به کار می بریم .

را از نقطه ایuو بردارv سرعت نسبی سیال نسبت به چرخ می باشند . برای رسم مثلث سرعت ها , مطابق شکل بردار
را به u با V خواهد بود . زاویه v وصل شود , معرف V به انتهای u رسم می کنیم . برداری که از انتهای o مانند
در امتدادV با زاویه پره برابر است . مولفه نشان می دهیم . با فرض هدایت کامل سیال , – را به u با v و زاویه
نشان می دهیم . با استفاده از این علائم داریم : Vr و در امتداد عمود بر آن را به Vu مماسی را به

اگر مثبت باشد حاکی از این استT دبی جرمی جریان است . در معادله فوق , که در آن که گشتاور مومنتم سیال با عبور از چرخ افزایش می یابد (مانند پمپ) و اگر منفی باشد حاکی از این است که گشتاور صفرخواهد بود . برای حالت اخیر داریم :T مومنتم سیال کاهش می یابد (مانند توربین) . در مجرایی که فاقد پره باشد

معادله فوق معرف گرداب آزاد است . در گرداب آزاد مولفه مماسی سرعت با شعاع تناسب معکوس دارد .

روابط اصلی در توربوماشین ها
توان مکانیکی ازحاصل ضرب گشتاوروسرعت زاویه ای به دست می آید . با ضرب طرفین معادله قبل درسرعت زاویه ای
به دست می آویم :

ارتفاع موثر روی H بیان می شود که در آن در توربین ها , توانی که سیال به ماشین می دهد به صورت
توربین است . با صرفنظر کردن از تلفات , توان سیال با توان مکانیکی تولیدی توربین برابر است . در پمپها توانی که ارتفاع تولیدی پمپ است . در این حالت نیز با H بیان می شود , که در آن سیال از ماشین می گیرد به صورت
صرف نظر کردن از تلفات , توان مکانیکی مصرفی پمپ با توان تولیدی آن برابر است . لذا می توان نوشت :

را به صورت زیر به دست می آوریم : H از برابر قرار دادن طرفین معادلات فوق

برای توربین ها علامت جملات معادله عکس می شود .
, برابر است با : ارتفاع واقعی پمپها ,

, براب است با : ارتفاع واقعی توربین ها ,

تلفات هیدرولیکی در آن می باشد . راندمان کلی ماشین از راندمان HL راندمان هیدرولیکی ماشین و eh
هیدرولیکی آن کمتر است , زیرا علاوه بر تلفات هیدرولیکی تلفات دیگری نیز وجود دارد . سایر تلفات عبارتند از : اصطکاک یاتاقان ها , اصطکاکی که سیال بین چرخ و محفظه ایجاد می کند و نشت جریان از درزهای بین چرخ و محفظه . این تلفات تاثیری بر ارتفاع ندارند .
پمپها را عموما طوری طرح می کنند که مومنتم زاویه ای سیال ورودی به چرخ صفر باشد . در این صورت داریم :

توربین ها را طوری طرح می کنند که در نقطه حداکثر راندمان , مومنتم زاویه ای سیال خروجی از چرخ صفر باشد . در این حالت داریم :

معادله انرژی برای یک پمپ به صورت زیر بیان می شود :

با استفاده از معادلات فوق می توان نوشت :

فرض شده است که انرژی تمام خطوط جریان گذرنده از پمپ یکسان باشد . حال قانون کسینوس ها را برای مثلثهای سرعت ورودی و خروجی می نویسیم :

را در معادله فوق حذف می کنیم و به دست می آوریم :V2 و V1 با استفاده از روابط فوق سرعتهای مطلق

منهای معادله فوق نشان می دهد که تلفات برابر است با ارتفاع ناشی از نیروی گریز از مرکز یعنی
اختلاف ارتفاع جریان نسبی . اگر تلفات را صفر فرض کنیم , طبق معادله افزایش ارتفاع فشاری به صورت زیر بیان
می شود :

صفر است . در این حالت افزایش ارتفاع برابر است با آن چه معادله زیر برای گردابv2 و v1 اگر دبی جریان صفر باشد ,
اجباری به دست می دهد . وقتی جریان از چرخ عبور می کند , افزایش ارتفاع برابر است با ارتفاع ناشی از نیروی گریز از مرکز منهای تغییر ارتفاع سرعت نسبی .

روابط فوق در توربین ها نیز معتبر است .

توربین های عکس العملی
توربینها را می توان به دو دسته تقسیم بندی کرد : توربین های ضربه ای و توربین های عکس العملی . در توربینهای ضربه ای تمام انرژی سیال در یک نازل به انرژی جنبشی تبدیل می شود . سیال به صورت جت آزاد از نازل تخلیه
می شود و انرژی خود را به پره های متحرکِ چرخ واگذار می کند . سیال , مجاری پره ها را کاملا پر نمی کند و جت در سراسر مسیر حرکت خود در چرخ در معرض فشار اتمسفر است .
در توربین های عکس العملی بخشی از انرژی سیال قبل از ورود به چرخ و با عبور از پره های هادیِ قابل تنظیم به انرژی جنبشی تبدیل می شود وبقیه تبدیل انرژی در چرخ رخ می دهد . انرژی جنبشی سیال در هنگام خروج زیاد است . از خروجی چرخ تا پایاب مجرای واگرایی وجود دارد که لوله تخلیه نامیده می شود . کار لوله تخلیه این است که با انبساط تدریجی مقطع جریان , انرژی جنبشی را مجددا به انرژی جریانی تبدیل کند . لوله تخلیه باعث می شود که فشار در خروجی چرخ کاهش یافته , از فشار اتمسفر کمتر شود . بدین ترتیب لوله تخلیه به اختلاف فشار طرفین توربین یعنی به ارتفاع موثر روی آن می افزاید . ارتفاع موثر روی توربین برابر است با اختلاف ارتفاع سرآب و پایاب منهای تلفات . این مطلب با بیان معادله انرژی برای لوله تخلیه روشن تر می شود .

در نتیجه ارتفاع فشاری در خروجی توربین برابر است با :