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 ، 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 2 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 α 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 β نشان می دهیم .

با فرض هدایت کامل سیال , β- 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 : تلفات در لوله تخلیه عبارتند از تلفات ناشی از انبساط , تلفات اصطکاکی و اتلاف ارتفاع سرعتی در خروجی لوله .

این تلفات مجموعا بالنسبه کوچک است و لذا طبق رابطه فوق خلا نسبی قابل توجهی در مقطع 1 ایجاد می شود که به طور موثری به ارتفاع روی چرخ توربین می افزاید .

ارتفاع نصب توربین از سطح پایاب نباید چندان زیاد باشد که در چرخ یا لوله تخلیه کاویتاسیون رخ دهد .

دو نوع توربین عکس العملی متداول عبارتند از توربین فرانسیس و توربین محوری .

در هر دو نوع آب تمام مجاری را پر می کند .

آب ابتدا از پره های هادی عبور می کند .

این پره ها باعث می شوند که سرعت جریان آب در حرکت به طرف چرخ یک مولفه مماسی پیدا کند .

بین پره های هادی و چرخ , فاصله ای وجود دارد .

جریانهای خروجی از مجاری مجاور در این فاصله به یکدیگر می پیوندند .

حرکت سیال در این ناحیه به صورت گرداب آزاد است , زیرا هیچ گشتاوری به آن اعمال نمی شود .

در توربین فرانسیس سیال طوری وارد چرخ می شود که سرعت نسبی آن مماس بر لبه پره ها باشد .

در طی حرکت سیال درمجاری چرخ تدریجامولفه شعاعی سرعت به مولفه محوری تبدیل می شود و مولفه مماسی آن کاهش می یابد .

به طوری که در خروجی چرخ فشار کمتر از فشار اتمسفر است .

انرژی جنبشی جریان خروجی از چرخ در طی عبور از لوله تخلیه مجددا به انرژی جریانی تبدیل می شود .

توربینهای فرانسیس برای نیروگاههای با ارتفاع ریزش متوسط , از 25متر تا 180 متر مناسبند .

این توربینها برای سرعت مخصوص های بین 40 تا 420 طراحی می شوند و در محدوده سرعت مخصوص های 150 تا 230 بهترین راندمان ها را ارائه می کنند .

حداکثر راندمان توربین های فرانسیس بزرگ بین 90 تا95 درصد است .

در توربین محوری , حرکت سیال در خروج از پره های هادی به صورت گرداب آزاد است .

از خروجی پره های هادی تا ورودی پره های چرخ , سیال در بین دیواره های ثابت توربین هدایت شده , مولفه شعاعی سرعت آن به مولفه محوری تبدیل می شود .

در این ناحیه مومنتم زاویه ای سیال ثابت می ماند .

لذا با کاهش شعاع , مولفه مماسی سرعت افزایش می یابد .

تعداد پره های چرخ , کم و انحنای آنها ناچیز است .

امتداد پره ها طوری است که سرعت نسبی ورودی بر لبه آنها مماس است .

سرعت نسبی جریان زیاد است و در عبور از چرخ چندان تغییر نمی کند .

توجه کنید که مولفه مماسی سرعت در عبور از چرخ کاهش می یابد .

در برخی از توربین های محوری موسوم به توربین کاپلان پره های چرخ در پیرامون توپی لولا شده اند .

در این حالت پره های چرخ نیز قابل تنظیم بوده , می توان با تغییر دبی یا تغییر ارتفاع ریزش امتداد آنها را تغییر داد .

توربین های محوری بویژه برای نیروگاه های با ارتفاع ریزش کم , تا30 متر مناسبند .

این توربین ها برای سرعت مخصوص های 380 تا 800 طراحی می شوند و در محدوده سرعت مخصوص های 400 تا 610 بهترین راندمان ها را ارائه می کنند .

حداکثر راندمان توربین های محوری حدود 94 درصد است .

آسیای بادی نوعی توربین محوری است .

در آسیای بادی چون پره های ثابتی وجود ندارد تا در جریان هوا یک مولفه مماسی ایجاد کنند , پره های متحرک باید این کار را انجام دهند .

جریان هوا در عبور از ملخ منبسط می شود و سرعت محوری آن کاهش می یابد .

پمپ ها و دمنده ها پمپها به انرژی مایعات می افزایند و دمنده ها به انرژی گازها .

روش طراحی پمپ ها و دمنده ها یکسان است , مگر در حالتی که تغییرات دانسیته گاز زیادباشد .

پمپها ودمنده ها را می توان به سه دسته تقسیم بندی کرد ؛ جریان شعاعی , جریان محوری و جریان مختلط .

نوع اخیر ترکیبی از دو نوع دیگر است .

برای ارتفاعات زیاد از پمپ جریان شعاعی معروف به پمپ سانتریفوژ استفاده می شود .

برای ارتفاعات بیشتر از پمپهای چند طبقه (متشکل از چند پروانه که به صورت سری قرار گرفته اند ) استفاده می شود .

برای دبی های زیاد , پمپ جریان محوری مناسب است .

پمپ جریان مختلط برای ارتفاعات متوسط و دبی های متوسط به کار برده می شود .

پمپ سانتریفوژ معمولی از اجزا زیر تشکیل شده است : یک لوله ورودی که به مرکز پروانه منتهی می شود , یک پروانه شعاعی و یک محفظه حلزونی که سیال را جمع آوری کرده به دهانه خروجی هدایت می کند .

پمپهای یک طبقه معمولا پره ثابت ندارند .

در پمپهای چند طبقه پس از هر پروانه یک دسته پره ثابت وجود دارد که جریان را به طرف مرکز پروانه بعدی هدایت می کنند .

این پره ها همچنین انرژی جنبشی جریان خروجی از پروانه را به انرژی فشاری تبدیل می کنند .

اصطکاک ناشی از وجود پره های ثابت در مقایسه با میزان بازیابی فشار کم است .

سرعت مخصوص پمپهای سانتریفوژ و مختلط بین10 تا50 و سرعت مخصوص پمپهای محوری بین 100 تا 200 است .

مشخصه تئوریک می توان مشخصه تئوریک پمپهای سانتریفوژ را تعیین کرد .

با استفاده از معادله نشان دهیم و از ضخامت پره ها صرف نظر کنیم , می توان نوشت :b اگر پهنای پروانه را به را به دست آورده , و با توجه به روابط فوق داریم : Vr2 از رابطه فوق خطی است .Q و H به طوری که ملاحظه می شود برای یک پمپ معین با سرعت دورانی مشخص , رابطه بستگی دارد در شکل زیربرای زوایای حاده , قائمه ومنفرجه رسم شده است .

این رابطه خطی که شیب آن به زاویه ) ارتفاع) با افزایش دبی ,ارتفاع کاهش می یابد .برای پره های شعاعی( برای پره های روبه عقب ( ) با افزایش دبی , ارتفاع افزایش می یابد .

مستقل از دبی است .

برای پره های رو به جلو ( پمپهای سانتریفوژ معمولا دارای پره های رو به عقب هستند .

مشخصه واقعی اگر تلفات هیدرولیکی را از مشخصه تئوریک کم کنیم , مشخصه واقعی به دست می آید .

اما قبل از آن باید تاثیر لغزش را منظور کنیم .

سیال به شرطی به طور کامل هدایت می شود که تعداد پره ها بی نهایت باشد .

عملا به علت محدود بودن تعداد پره ها , سیال به طور کامل هدایت نمی شود و با زاویه ای کمتر از زاویه پره از پروانه خارج می شود .

این پدیده را لغزش گویند .

پدیده لغزش باعث کاهش ارتفاع تولیدی پمپ می شود .

تلفات اصطکاکی سیال در مجاری ثابت و متحرک پمپ با مجذور دبی جریان متناسب است .

علاوه بر تلفات اصطکاک باید تلفات شوک را که ناشی از نامناسب بودن امتداد سرعت در ورودی پره است نیز منظور می کنیم .

هر پمپ برای دبی معینی (درسرعت دورانی معین) طراحی می شود .

در این دبی , سرعت نسبی ورودی مماس بر پره است و تلفات شوک قابل چشم پوشی است و پمپ حداکثر راندمان خود را داراست .

در سایر دبی ها تلفات شوک رخ می دهد که تقریبا با مجذور انحراف در زاویه ورودی متناسب است .

پس از منظور کردن اثر لغزش در مشخصه تئوریک و کم کردن تلفات اصطکاکی و شوک از آن , مشخصه واقعی پمپ حاصل می شود .

ارتفاع پمپ در دبی صفر را اصطلاحا ارتفاع قطع یعنی نصف ارتفاع قطع تئوریک است .

گویند .

ارتفاع قطع معمولا حدود تلفات هیدرولیکی از ارتفاع تولیدی می کاهند .

تلفاتی نیز وجود دارند که باعث می شوند گشتاور کمتری به سیال منتقل شود .

این تلفات عبارتند از اصطکاک مکانیکی در یاتاقانها و نوار آب بندی و اصطکاک سیالی که بین پروانه متحرک و محفظه ثابت وجود دارد .

همچنین تلفات دیگری نیز وجود دارد که باعث کاهش دبی می شود ؛ قسمتی از سیال خروجی از پروانه از درز پروانه و محفظه نشت کرده , مجددا به دهانه ورودی پروانه جریان می یابد .

تلفات نشتی داخلی نیز باعث کاهش راندمان می شود .

به طور کلی راندمان پمپ ها کمتر از راندمان توربین ها است .

علت این امر زیاد بودن تلفات در تبدیل انرژی جنبشی به انرژی جریانی است .

توربین های ضربه ای در توربین های ضربه ای سیال قبل از این که به پره های متحرک برخورد کند , از یک نازل عبور می کند و انرژی آن تماما به انرژی جنبشی در فشار اتمسفر تبدیل می شود .

در نیروگاه آبی مجهز به توربین ضربه ای , آب از طریق لوله تحت فشار (پنستوک) به طرف نازل جریان می یابد .

از سرآب تا ورودی نازل تلفاتی رخ می دهد که با استفاده از روابط مربوط به جریان در لوله ها قابل محاسبه است .

مشخصات در ورودی نازل را با اندیس 1 و در خروجی آن را با اندیس 2 نشان می دهیم .

ارتفاع کل در ورودی نازل برابر است با : سرعت جت خروجی از نازل را می توان به صورت زیر بیان کرد : ضریب سرعت نازل است .

افت ارتفاع در نازل برابر است با :Cv که در آن راندمان نازل برابر است با نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی آن , یعنی : به بشقابک های دو کفه ای چرخ برخورد می کند , آنگاه به دو قسمت تقسیم می شودV2جت خروجی از نازل با سرعت منحرف می شود .θ و سرعت نسبی آن به اندازه زاویه می نویسیم و نیروی وارد به بشقابکها را به دست می آوریم :x معادله مومنتم را در امتداد