آلات توربينية

هجريب تربينة بخاريةن منتجة بواسطة شركة سيمينز,ألمانيا

الآلات التوربينية، وَهوَ مصطلح يستخدم في الهندسة الميكانيكية ليصف الآلات التي يحدث فيها انتنطق للطاقة بين المائع وعمود دوران الآلة، وتضم جميع من التربيناتوالضواغط. حيث تنتقل الطاقة من المائع إلي عمود الدوران في التربينات بينما تنتقل من عمود الدوران إلي المائع في حالة الضواغط .
بشكل عام تتكون الآلة التوربينية من عضوثابت (بالإنجليزية: Stator)‏ وآخر متحرك (بالإنجليزية: Rotor)‏ يختلف ترتيبهم حسب وظيفة الآلة ويعهدان معا بالفترة التوربينية (بالإنجليزية: Turbomachine Stage)‏.
أغلب الألات التوربينية تحتوي علي أكثر من فترة وتعهد بأنها متعددة المراحل، وبعضها تقتصر الفترة فيه علي العضوالدوار فقط مثل تربينات الرياح.
كما تعتبر المضخات الدورانية(مضخات الطرد المركزي) من الألات التوربينية أيضا حيث تعمل طبقا لنفس مبدأ الضاغط حيث تنتقل الطاقة من عمود الدوران إلي المائع ولكن المائع هناقد يكون سائل علي عكس الضاغطقد يكون غاز.

ويستند مبدأ عمل هذه الالات إلي قانون نيوتن الثاني للحركة ومعادلات إيلور التوربينية للموائع القابلة للانضغاط.

تعريف الألة التورربينية

تعهد الآلة التوربينية أنها "أي آلة تستخرج الطاقة من مائع مستمر السريان أوتزوده بالطاقة"وتعتبر الآلة التوربينية آلة قدرة (بالإنجليزية: Power machine)‏ حيث تحمل طاقة المائع عن طريق تحويل طاقة الحركة للعضوالدوار إلي طاقة سريان للمائع أوالعكس.
ومن أمثلة الألات التوربينية المضخات والتربينات والضواغط.

التصنيف

يمكن تصنيف الألات التوربينية تبعا لعدة عناصر كالتالي:

إتجاه سريان الطاقة

انتنطق الطاقة من المائع إلي عمود الدوران، ويظهر هذا في التربينات بأنواعها وتعهد أنها ألات مولدة للطاقة.
انتنطق الطاقة من عمود الدوران إلي المائع، ويظهر هذا في الضواغط والمضخات، وتعهد أنها ألات ممتصة للطاقة.

إتجاه سريان المائع

موازي لمحور عمود الدوران، ويسمي في هذه الحالة سريان محوري (بالإنجليزية: Axial Flow)‏. تهمل سرعة المائع في الاتجاه القطري للأله، وحيث أنه لاقد يكون هناك تغير في اتجاه سريان المائع (موازي لمحور الآلة) تستخدم عدة مراحل توربينية محورية لزيادة القدرة الناتجة. ومن أمثلة هذا النوع توربينة كابلن.

رسم توضيحي لمركبات السرعة في الألات التوربينية ذات السريان المحوري للمائع

تعبر الرموز في الرسم التوضيحي عن:

U:سرعة الريش.
_f:سرعة السريان
V:السرعة المطلقة
V_r:السرعة النسبية للمائع.
V_w:السرعة المماسية.
α: زاوية سريان المائع بالنسبة للريش.
β: زاوية الريشة نفسها.

2.عمودي علي محور عمود الدوران، ويسمي في هذه الحالة سريان قطري، حيثقد يكون في اتجاه نصف القطر للألة (بالإنجليزية: Radial flow)‏. وتعهد الألات التوربينية هنا بأنها ألات توربينية ذات سريان قطري (بالإنجليزية: Radial flow turbomachines)‏ وتتكون من فترة واحدة حيثقد يكون اتجاه سريان المائع متغير باستمرار فلا يمكن حتى تكون الآلة هنا متعددة المراحل. ومن أمثلة ذلك مضخات الطرد المركزي.

رسم توضيحي لمركبات السرعة في الألات التوربينية ذات السريان القطري للمائع

3.عمودي علي محور عمود الدوران في جزء من ريشة الآلة وموازي له في الجزء الآخر، ويسمي في هذه الحالة سريان مختلط_حيث يجمع بين المحوري والقطري_ (بالإنجليزية: Mixed Flow)‏. ومن أمثلة ذلك توربينة فرانسيس

الانضغاطية(بالإنجليزية: Compressibility)‏

ويشير هذا التصنيف إلي قابلية مائع التشغيل في الآلة للانضغاط أم لا. وتعتبر السوائل موائع غير قابلة للانضغاط بينما الغازات موائع قابلة للانضغاط.
وبشكل عام يعتبر المائع _سواء سائل أوغاز_ غير قابل للانضغاط عندماقد يكون رقم ماخ له أقل من 0.3
من الألات التوربينية التي تتعامل مع موائع غير انضغاطية التربينات الهيدروليكية والمضخات، ومن الألات التوربينية التي تتعامل مع موائع انضغاطية ضاغط الغاز وتربينات الرياح.

إجراء التمدد (بالإنجليزية: Expansion process)‏

وهنا يتم تصنيف الآلة التوربينية تبعا لدرجة رد العمل (بالإنجليزية: Degree of reaction)‏ ويرمز لها R, حيث:

عندما R=0 تعهد الآلة التوربينية أنها نبضية، ومعني هذا حتى جميع إجراء التمدد وقع في العضوالثابت (بالإنجليزية: Stator)‏ للألة فقط، أي حتى فقد الضغط وقع في الجزء الثابت بينما لم يحدث أي تمدد في العضوالدوار(بالإنجليزية: Rotor)‏ , ومثال علي ذلك التربينات النبضية (بالإنجليزية: Impulse turbine)‏ مثل تربينة بلتون .

فترة توربينة نبضية, مكونة من عضوثابت (بالإنجليزية: Nozzle)‏ لزيادة طاقة الحركة للمائع وعضومتحرك (بالإنجليزية: Rotor)‏ للإستفادة من طاقة الحركة

عندما R=1 تعهد الآلة التوربينية أنها آلة ذات رد عمل، أي حتى جميع إجراء التمدد وقع في العضوالدوار(بالإنجليزية: Rotor)‏ للألة فقط بينما لم يحدث أي تمدد في العضوالثابت (بالإنجليزية: Stator)‏, ومثال علي ذلك تربينات رد العمل (بالإنجليزية: Reaction Turbines)‏ مثل تربينة فرانسيس.

فترة آلة توربينية ذات رد عمل

عندما R=0.5 يتم نصف إجراء التمدد في العضوالدوار والنصف الآخر في العضوالثابت، وتعهد الآلة هنا أنها مختلطة من حيث درجة رد العمل.

بغلاف أم بدون غلاف

بعض الالات التوربينيةقد يكون لها غلاف خارجي (بالإنجليزية: Casing)‏ يحيط بها مثل التربينات الغازية والبعض الآخر لاقد يكون له غلاف يحيط به مثل تربينات الرياح.

نسب لا بُعدية لوصف الألات التوربينية

تستخدم بعض النسب اللابُعدية (بالإنجليزية: Dimensionless)‏ لتسهيل وصف الألات التوربينية والتعامل معها خصوصا التصميم، ومن هذه النسب

معامل التدفق (بالإنجليزية: Flow coefficient)‏ ويرمز له Ψ
معامل الضغط (بالإنجليزية: Pressure coefficient)‏ ويرمز له Φ

انظر أيضا

عجلات ترجو.
نسبة الضغط الكلي.
نسبة الإلتفافية.
معامل الإنزلاق.
مضخة ذات تروس
فوهة
توربين سينجر
توربين تسلا
مضخة توربينية

المراجع

^ Forsthoffer's Rotating Equipment Handbooks, Vol. 1
^ Forsthoffer's Rotating Equipment Handbooks, Vol. 2
^ Forsthoffer's Rotating Equipment Handbooks, Vol. 3
^ Forsthoffer's Rotating Equipment Handbooks,Vol 4
^ Fluid_Mechanics__Thermodynamics_of Turbomachines, S.L.Dixon
^ Logan, Earl. "Handbook of turbomachinery". 1995. Marcel Deckker.
^ Vandad Talimi (Original author unknown). "Mechanical Equipment and Systems". 2013. Memorial University of Newfoundland.
^ Baskharone, E. A. "Principles of Turbomachinery in Air-Breathing Engines". 2006. Cambridge University Press. 580 pages.
^ Rajadurai, J. S. "Thermodynamics and thermal engineering". 2003. New Age International. ISBN 81-224-1493-1