هيدروليكية 2آالت

الخامس الدراسى المستوى

االول • البابالهيدروليكية - للتوربينات األساسية النظرية

(Basic theory of hydraulic Turbines)تعريف#:- •• . اساس#ي محرك عن عبارة هو الهيدروليكي التوربين

االساسي) ) تقوم( Prime moverا#لمحرك آلة اي به يقصدالمواد في المتوفرة الخام الطاقة من باالستفادة

.) التوربين يشتمل ميكانيكية طاقة الى وتحويلها( دوار على أس#اسا عليه( runnerالهيدروليكى م#ثبتة ،

( ريش# (.bladesمجموعة

طاقة • فيه تتوفر والذى للماء يسمحخالل و الدوار، الى بالدخول هيدروليكيةتحويل يتم الريش هذه عبر الماء إنسيابالماء في المتوفرة الهيدروليكية الطاقة

عمود صورة في ميكانيكية طاقة الىالتوربينات( . rotating shaft)دوار تعرف

المائية بالتوربينات ايضا الهيدروليكية(Water turbines )المائع الن وذلك

. الماء هو المستخدم

في • الناتجة الميكانيكية الطاقة تستخدممع مباشرة يتصل كهربائي مولد تشغيلالطاقة تحويل يتم حيث التوربين عمود

يمكن كهربائية طاقة الى الميكانيكيةابراج خالل ( Transmission Towers)نقلها

نقل ) عبر ( Transmission linesوخطوط. االستهالك مناطق الى بعيدة مسافات

2.1 ( الكهرومائية- القدرة hydro-electricمحطاتpower plants )

مصادر • من الكهرومائية القدرة محطات تعتبرقليلة التشغيل تكلفة فيها تكون التي الطاقة

( الحرارية القدرة بمحطات Thermalمقارنةpower plants )مصادر من تعتبر انها ك#ما ،

تلوث في تتسبب ال والتي النظيفة الطاقةالكبيرة المشاريع من عادة تكون انها اال بيئي

تك#لفة ان كما العالية االنشائية التكلفة ذاتالن وذلك كبيرة تكون الكهربائية الطاقة نقل

مناطق عن بعيدة تكون المائية المصادر( الشكل. تخطيطيا( 1.1االستهالك رسما يوضح

من تتكون والتى كهرومائية قدرة لمحطة: اآلتية األساسية المكونات

(Dam)الخزان •يتم • ضخم خرساني# جسم عن عبارة هو الخزان

في ا#لماء بتخزين ويقوم نهر على تشي#يدهالخزان اعلى تقع تكون. (upstream)بحيرة ان يجب

الم#اء من امدادا# هنالك يكون بحيث البحيرة سعةالكم#ية توليد وبالتالي التوربينات لتشغيل يكفي

مدار على الكهربائية الطاقة من المطلوبةطبيعة. على# الخزان وحجم شكل يتوقف السنةالمطلوب . االنسياب ومعدل السمت ، الموقع

انسياب بت#نظيم تقوم ببوابات ا#لخزانات تزودالم#اء من تخلص منظومة الى باالضافة الماء

هو . ا#لخزانات في المهمة الجوانب# من الزائدمن والطمى الرواسب# ازالة ا#مكانية اعتبار

. الخزان جسم من بالقرب البحيرة

الناقل • ( :Penstock) األنبوبمقطع • ذات أنبوب عن عبارة (cross section)وهو

االسمنت او الفوالذ من تصنيعه يتم كبيرمن عالي ضغط تحت الماء ينقل المسلح

) موقع ) الى آخر مصدر أى أو الخزان بحيرةاعلى ويكون التوليد غرفة في التوربين

في . (upstream)التوربين الماء سطح يسمىالطرف. ) "headrace"البحيرة يسمى أحيانا

ايضا الناقل األنبوب من ( . "headrace"األعلىتمور خزانات تركيب يتم (surge tanks)عادة

التوليد غرفة قبل الناقل االنبوب علىتقليل و الضغط تراوح في للتحكم مباشرةالمائي الطرق ظاهرة على المترتبة اآلثار

(water hammer.).

التوليد • (:Power house)غرفة• والمولدات • التوربينات على التوليد غرفة تشتمل

بتحويل . التوربين يقوم بها الملحقة التحكم واجهزةويقوم ميكانيكية طاقة الى الهيدروليكية الطاقة

عمود (generator) المولد مع مباشرة يتصل والذيطاقة الى الميكانيكية الطاقة بتحويل التوربين

عدة . على التوليد غرفة موقع اختيار يعتمد كهربائيةوسائل : حركة سهولة ، المتاح الحيز منها عوامل

السمت ... على يعتمد الغرفة حجم ان كما الخ النقلالمستخدمة . الوحدات وعدد وحجم نوع ، المتاح

العمود • يكون بحيث التوربين تصميم يتم ان يمكنافقي وضع الحالة (horizontal shaft turbine)في هذه وفي

على ) المستوى نفس في التركيبات كل تكون ) والصيانة الفحص عمليات يسهل مما واحدة ارضية

التوليد . غرفة في تتم تعديالت اي او

التوربين لعمود الراسي الوضع حالة في أما(vertical shaft turbine )توصيل عمليات فتكون

وانبوب التوربين الى الواصل للماء التغذية انبوباضافة سهلة التوربين من الخارج للماء السحبسطح أعلى موقع في المولدات تكون ذلك الى

. وصيانتها فحصها عملية يسهل مما الماء

السفلى (Tailrace)القناةيتم الذى الصرف مستودع هى السفلى القناة

ذلك ويتم التوربين من الخارج الماء تصريف فيهعلى ذلك يعتمد و المقطع كبير أنبوب أو قناة عبر

. السفلى القناة تكون المستخدم التوربين نوع( التوربين الماء(. downstreamأسفل سطح يسمى

( ب أيضا السفلى القناة (. tailraceفى

الهيدروليكية التوربينات تصنيف (classification of hydraulic turbines )

تصنيف عليها بناءا يتم التي المهمة االسس منالمتوفرة الطاقة نوع هو الهيدروليكية التوربينات

التوربين ) مدخل عند الماء وعلي(. turbine inletفي: نوعين الى التوربينات تصنيف يتم االساس هذا

( : دفعي (:impulse turbineتوربينكل بتحويل اوال الطاقة تحويل يتم النوع هذا في

طاقة الى التوربين مدخل عند المتاح السمتطاقة( kinetic energyحركة ) تنتقل ذلك بعد ثم

في لتكون التوربين ريش عبر الماء من الحركةويكون التوربين عمود في ميكانيكية طاقة صورة

ثابتا للتوربين والمخرج المدخل بين الماء ضغطالجوي ) الضغط (.atmospheric pressureعند

فعل رد (:reaction turbine)توربينريش خالل الماء يمر النوع هذا في

الدوار( guide vanesتوجيه ) الى ومنها(runner )الى الداخل للماء يكون حيث

ضغط ) طاقة ( pressure energyالتوربينيكون وبالتالي حركة طاقة الى باالضافةعالي ضغط تحت بالماء مليئا دائما الدوار

ريش عبر الماء انسياب وباستمرارطاقة الى الضغط طاقة تتحول التوربين

متغيرا يكون الضغط فان وعليه حركة. الدوار داخل

عليها بناءا يتم اخرى اسس هنالك: . مثل الهيدروليكية التوربينات تصنيف

داخل # اإلنسياب اساس على التصنيفالدوار:

مماسى ) إنسياب tangential flowتوربينturbine )

قطرى ) نصف إنسياب radial flowتوربينturbine)

محورى ) إنسياب (axial flow turbineتوربينمختلط ) إنسياب (mixed flow turbineتوربين

: المتاح # السمت اساس على التصنيفعالي ) سمت ( high head turbineتوربين

متوسط ) سمت ( medium head turbineتوربينمنخفض ) سمت (low head turbineتوربين

التوربين # : عمود وضع اساس على التصنيفراسي عمود ( vertical shaft turbine)توربينافقي عمود ( (horizontal shaft turbineتوربين

النوعية # : السرعة اساس على التصنيفمنخفضة نوعية سرعة low specific speed)توربين

turbine )( متوسطة نوعية سرعة medium specificتوربين

speed turbine)عالية نوعية سرعة high specific speed)توربين

turbine)

أويلر (Euler's Equation)معادلةقرص على تشتمل التوربينات فى الدوار أنواع كل

الريش ) من مجموعة عليها مثبتة أسطوانة (bladesأوإما المائع، لحركة نتيجة الريش هذه وتتحرك

( الدفع الفعل( impulseبواسطة رد في( ( reactionأوان وبما الريش على مؤثرة قوى هنالك األحوال كل

فان الدوار على مثبتة الريشالدوران • عزم لمعدل( torque)نقل نتيجة يكون

الزاوية الحركة كمية في rate of change of)التغييرangular momentum . )األساسية النظرية تعتمد

سرعة أن افتراض على الهيدروليكية للتوربيناتالقطر نصف على فقط تعتمد الدوار داخل االنسياب

السرعة في يحدث الذي التغيير اعتبار يمكن انه أيالمدخل عند ( . Outlet)والمخرج( Inlet)فقط

عند( 1.5الشكل) السرعة مخططات يوضح أدناهقطرى ) نصف إنس#ياب لدوار والمخرج radialالمدخل

flow runner. ثابتة( زاوية بسرعة يدور

إسطواني • سطح خالل الريش إلى المائع يدخلقطره مطلقة r1نصف بسرعة باتجاه v1وينساب

عند المرسوم المماس على بالزاوية يميلسطح . خالل الريش من المائع يخرج المدخل

قطره نصف مطلقة r2إسطواني v2بسرعةالمرسوم المماس على بالزاوية يميل باتجاه

و . المدخل عند الريشة زاوية هى المخرج عند . مخطط يشتمل المخرج عند الريشة زاوية هى

السرعة رسم على المدخل عند السرعةالمماسية v1المطلقة السرعة وبطرح بالزاوية

المدخل على u1للريشةعند الحصول يتمالنسبية بالنسبة ) vr1السرعة المائع سرعة وهى

القطر نصف عند بنفس( r1للريشة تميل والتى ،المدخل، ) (. عند الريشة زاوية

المطلقة • السرعة تحليل إلى v1يمكننصفر : اتجاه في إحداهما مركبتين

قطرية نصف مركبة وتسمى القطر(radial component )االنسياب سرعة أو(velocity of flow )بالرمز لها ، vf1ويرمز

وتسمى المماس اتجاه في واألخرىالمماسية ) ( tangential componentالمركبةالتدويم ) سرعة ويرمز( velocity of whirlأو

بالرمز رسم. vw1لها يتم الطريقة بنفساستخدام مع المخرج عند السرعة مخطط

عند( 2الرقم ) السرعات على للداللةالمخرج .

للحركة :• الثاني نيوتن قانون منكمية = • في التغيير معدل الدوران عزم

الزاوية الحركةاتجاه • في للمائع الخطية الحركة كمية

هي المماسفي • المنساب المائع كتلة هى حيث

الثانية. الزاوية = • الحركة كمية فإن وعليهعند • الزاوية الحركة كمية تكون وبالتالى

هي : المدخل

• : هي المخرج عند الزاوية الحركة وكميةالى • الماء من المحول الدوران عزم

هو : الدوار

wvm.

.m

rvm w ..

11

.

rvwm22

.rvm w

2211

.rvrvmT ww

القدرة ) • الثانية في المبذول الشغلهو ( : المنقولة

الزاوية • السرعة هى حيث•: أن أى• الوزن • وحدة في الطاقة تحويل معدل

هو :

2211

.rvrvmTE wwt

2211 wwt vuvuE m

WtEE .

الثانية • في المنساب المائع وزن هو حيث ) (

•: فإن وعليه

أو •

أويلر )• بمعادلة أعاله المعادلة Euler,sتعرفequation )الكمية تعرف و ،E أويلر بسمت

(Euler,s head . )فى • الناتجة النظرية القدرة تمثل هى و

الوزن ) Theoretical powerوحدةper unit weight.)

gmW..

g

vuvuE ww 1122

11221

ww vuvug

E

الفعل • رد (Degree of reaction)درجةيمكن • الفاقد بإهمال و برنولي معادلة من

: اآلتية المعادلة كتابة• والمخرج • المدخل عند الضغط هما حيث• . التوالي على التوربين من

والمخرج • المدخل عند السرعات هماالتوالي .• على•E إلى الماء من المحولة الطاقة هى•. الوزن وحدة في التوربين•. السائل كثافة هى

gv

gPE

gv

gP

22

222

211

12 , PP

12 , vv

•: أن أى

• فان :• أن أي ثابت الضغط كان إذا

توربين ) •دفعي(

فان :• أي ثابتة السرعة كانت إذا• رد ) • توربين

فعل(

21 PP

gvvE

2

22

21

gPPE

21

gVV

gPPE

2

22

2121

ضغط • بين المتوسطة الحاالت توصف ، الفعل رد بدرجة ثابتة وسرعة ، Rثابت

اآلتية : بالعالقة يعرف والذي

•: بالعالقة الكمية عن وبالتعويض• 

E

gPPRor

TransfereEnergyTotaldroppressurestaticR

/21

gpp

21

فأن: •

التحويل • وبإفتراض أويلر معادلة منفإن ) ( : أن أى للطاقة األقصى

• الفعل • رد درجة معادلة تصبح وبالتالى

: يلى كما•

gEVVE

gVVER

gVVE

gPP

21/

2

222

21

22

21

22

2121

0v 2

gvuE w11

11

22

21

21

uvvvR

w