آلات هيدروليكية2

1. آلات هيدروليكية2 المستوى الدراسى الخامس

2. الباب الاول -النظرية الأساسية للتوربينات الهيدروليكية (Basic theory of hydraulic Turbines) • - تعريف: • التوربين الهيدروليكي هو عبارة عن محرك اساسي. (المحرك الاساسي(Prime mover) يقصد بهاي آلة تقوم بالاستفادة من الطاقة الخام المتوفرة في المواد وتحويلها الى طاقة ميكانيكية). يشتمل التوربين الهيدروليكى أساسا على دوار(runner)، مثبتة عليه مجموعة ريش(blades).

3. يسمح للماء والذى تتوفر فيه طاقة هيدروليكية بالدخول الى الدوار، و خلال إنسياب الماء عبر هذه الريش يتم تحويل الطاقة الهيدروليكية المتوفرة في الماء الى طاقة ميكانيكية في صورة عمود دوار (rotating shaft) . تعرف التوربينات الهيدروليكية ايضاًبالتوربينات المائية (Water turbines) وذلك لان المائع المستخدم هو الماء.

4. تستخدم الطاقة الميكانيكية الناتجة في تشغيل مولد كهربائي يتصل مباشرة مع عمود التوربين حيث يتم تحويل الطاقة الميكانيكية الى طاقة كهربائية يمكن نقلها خلال ابراج(Transmission Towers) وخطوط نقل (Transmission lines ) عبر مسافات بعيدة الى مناطق الاستهلاك.

5. 2.1- محطات 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 plants) ، كما انها تعتبر من مصادر الطاقة النظيفة والتي لا تتسبب في تلوث بيئي الاَانها تكون عادة من المشاريع الكبيرة ذات التكلفة الانشائية العالية كما ان تكلفة نقل الطاقة الكهربائية تكون كبيرة وذلك لان المصادر المائية تكون بعيدة عن مناطق الاستهلاك. الشكل(1.1) يوضح رسما تخطيطيا لمحطة قدرة كهرومائية والتى تتكون من المكونات الأساسية الآتية:

6. الخزان (Dam) • الخزان هو عبارة عن جسم خرساني ضخم يتم تشييده على نهر ويقوم بتخزين الماء في بحيرة تقع اعلى الخزان (upstream). يجب ان تكون سعة البحيرة بحيث يكون هنالك امداداً من الماء يكفي لتشغيل التوربينات وبالتالي توليد الكمية المطلوبة من الطاقة الكهربائية على مدار السنة. يتوقف شكل وحجم الخزان على طبيعة الموقع ، السمت ومعدل الانسياب المطلوب . تزود الخزانات ببوابات تقوم بتنظيم انسياب الماء بالاضافةالى منظومة تخلص من الماء الزائد . من الجوانب المهمة في الخزانات هو اعتبار امكانيةازالة الرواسب والطمى من البحيرة بالقرب من جسم الخزان.

8. الأنبوب الناقل ( Penstock) : • وهو عبارة عن أنبوب ذات مقطع (cross section) كبير يتم تصنيعه من الفولاذ او الاسمنت المسلح ينقل الماء تحت ضغط عالي من بحيرة الخزان (أو أى مصدر آخر) الى موقع التوربين في غرفة التوليد ويكون اعلى التوربين (upstream) .يسمى سطح الماء في البحيرة "headrace". (أحيانا يسمى الطرف الأعلى من الأنبوب الناقل ايضا"headrace") . عادة يتم تركيب خزانات تمور(surge tanks)على الانبوب الناقل قبل غرفة التوليد مباشرة للتحكم في تراوح الضغط و تقليل الآثار المترتبة على ظاهرة الطرق المائي ( water hammer)..

9. غرفة التوليد (Power house): • تشتمل غرفة التوليد على التوربينات والمولدات واجهزة التحكم الملحقة بها . يقوم التوربين بتحويل الطاقة الهيدروليكية الى طاقة ميكانيكية ويقوم المولد ( generator) والذي 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 turbine) وفي هذه الحالة تكون كل التركيبات في نفس المستوى (على ارضية واحدة) مما يسهل عمليات الفحص والصيانة اواي تعديلات تتم في غرفة التوليد .

10. أما في حالة الوضع الراسي لعمود التوربين (vertical shaft turbine) فتكون عمليات توصيل انبوب التغذية للماء الواصل الى التوربين وانبوب السحب للماء الخارج من التوربين سهلة اضافةالى 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(downstream). يسمى سطح الماء فى القناة السفلى أيضا ب(tailrace).

11. تصنيف التوربينات الهيدروليكية ( classification of hydraulic turbines ) من الاسس المهمة التي يتم بناءا عليها تصنيف التوربينات الهيدروليكية هو نوع الطاقة المتوفرة في الماء عند مدخل التوربين (turbine inlet). وعلي هذا الاساس يتم تصنيف التوربيناتالى نوعين: توربين دفعي: (impulse turbine): في هذا النوع يتم تحويل الطاقة اولاً بتحويل كل السمت المتاح عند مدخل التوربين الى طاقة حركة (kinetic energy) ثم 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 ثابتاً عند الضغط الجوي (atmospheric pressure).

12. توربين رد فعل (reaction turbine): في هذا النوع يمر الماء خلال ريش توجيه (guide vanes) ومنها الى الدوار (runner) حيث يكون للماء الداخل الى التوربين طاقة ضغط (pressure energy)بالاضافةالى 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 متغيراً داخل الدوار. هنالك اسساخرى يتم بناءا عليها تصنيف التوربينات الهيدروليكية. مثل :

13. # التصنيف على اساسالإنسياب داخل الدوار: توربين إنسيابمماسى (tangential flow turbine) توربين إنسياب نصف قطرى (radial flow turbine) توربين إنسيابمحورى (axial flow turbine) توربين إنسياب مختلط (mixed flow turbine) # التصنيف على اساسالسمت المتاح: توربين سمت عالي (high head turbine) توربين سمت متوسط (medium head turbine) توربين سمت منخفض (low head turbine)

14. # التصنيف على اساس وضع عمود التوربين : توربين عمود راسي (vertical shaft turbine) توربين عمود افقيhorizontal 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)

15. معادلة أويلر(Euler's Equation) كل أنواع الدوار فىالتوربينات تشتمل على قرص أو أسطوانة مثبتة عليها مجموعة من الريش (blades) وتتحرك هذه الريش نتيجة لحركة المائع، إما بواسطة الدفع(impulse) أو رد الفعلreaction) ) في كل الأحوال هنالك قوى مؤثرة على الريش وبما ان الريش مثبتة على الدوار فان • نقل عزم الدوران (torque) يكون نتيجة لمعدل التغيير في كمية الحركة الزاوية (rate of change of angular momentum) . تعتمد النظرية الأساسية للتوربينات الهيدروليكية على افتراض أن سرعة الانسياب داخل الدوّار تعتمد فقط على نصف القطر أي انه يمكن اعتبار التغيير الذي يحدث في السرعة فقط عند المدخل (Inlet) والمخرج (Outlet) . الشكل(1.5) أدناه يوضح مخططات السرعة عند المدخل والمخرج لدوّار إنسياب نصف قطرى(radial flow runner) يدور بسرعة زاوية ثابتة.

17. يدخل المائع إلى الريش خلال سطح إسطواني نصف قطره r1 وينساب بسرعة مطلقة v1 باتجاه يميل بالزاوية على المماس المرسوم عند المدخل . يخرج المائع من الريش خلال سطح إسطواني نصف قطره r2 بسرعة مطلقة v2 باتجاه يميل بالزاوية على المماس المرسوم عند المخرج . هى زاوية الريشة عند المدخل وهى زاوية الريشة عند المخرج. يشتمل مخطط السرعة عند المدخل على رسم السرعة المطلقة v1 بالزاوية وبطرح السرعة المماسيةللريشةعند المدخل u1 يتم الحصول على السرعة النسبية vr1 ( وهى سرعة المائع بالنسبة للريشة عند نصف القطر r1)، والتى تميل بنفس زاوية الريشة عند المدخل، ().

18. يمكن تحليّل السرعة المطلقة v1 إلى مركبتين : إحداهما في اتجاه نصفر القطر وتسمى مركبة نصف قطرية (radial component) أو سرعة الانسياب (velocity of flow) ويرمز لها بالرمز vf1 ، والأخرى في اتجاه المماس وتسمى المركبة المماسية(tangential component) أو سرعة التدويم(velocity of whirl) ويرمز لها بالرمز vw1. بنفس الطريقة يتم رسم مخطط السرعة عند المخرج مع استخدام الرقم (2) للدلالة على السرعات عند المخرج .

19. من قانون نيوتن الثاني للحركة : • عزم الدوران = معدل التغيير في كمية الحركة الزاوية • كمية الحركة الخطية للمائع في اتجاه المماس هي • حيث هى كتلة المائع المنساب في الثانية. • وعليه فإن كمية الحركة الزاوية = • وبالتالى تكون كمية الحركة الزاوية عند المدخل هي : • وكمية الحركة الزاوية عند المخرج هي: • عزم الدوران المحول من الماء الى الدوار هو :

20. الشغل المبذول في الثانية (القدرة المنقولة ) هو : • حيث هى السرعة الزاوية • أى أن: • معدل تحويل الطاقة في وحدة الوزن هو :

21. حيث هو وزن المائع المنساب في الثانية( ) • وعليه فإن: • أو • تعرف المعادلة أعلاه بمعادلة أويلر(Euler,s equation)، و تعرف الكمية E بسمت أويلر(Euler,s head) . • و هى تمثل القدرة النظرية الناتجة فى وحدة الوزن (Theoretical power per unit weight ).

22. درجة رد الفعل (Degree of reaction) • من معادلة برنولي و بإهمال الفاقد يمكن كتابة المعادلة الآتية: • حيث هما الضغط عند المدخل والمخرج • من التوربين على التوالي. • هما السرعات عند المدخل والمخرج • على التوالي . • E هى الطاقة المحولة من الماء إلى • التوربين في وحدة الوزن. • هى كثافة السائل.

23. أى أن: • إذا كان الضغط ثابت أي أن فان : • (توربين دفعي) • إذا كانت السرعة ثابتة أي فان : • (توربين رد فعل)

24. توصف الحالات المتوسطة بين ضغط ثابت وسرعة ثابتة بدرجة رد الفعل ، R ، والذي يعرف بالعلاقة الآتية : • وبالتعويض عن الكمية بالعلاقة:

25. فأن: • من معادلة أويلروبإفتراض التحويل الأقصى للطاقة ( أى أن ) فإن : • وبالتالى تصبح معادلة درجة رد الفعل كما يلى: