تئوری توربو ماشین

در حالت کلی، توربوماشین به ماشینی گفته می‌شود که از یک قسمت اساسی به نام چرخ متحرک با پرده‌هایی متقارن نسبت به محور چرخ تشکیل یافته است، جریان سیاله بر روی پره‌ها عمل تبادل انرژی را بین سیاله و محور ماشین انجام می‌دهد. اگر توربو ماشین انرژی سیاله را در حین گذاشتن از آن کاهش بدهد، یعنی انرژی ورودی ماشین بیشتر از انرژی خروجی آن باشد و مقداری از انرژی سیاله تبدیل به انرژی مکانیکی شود در این صورت توربو ماشین را توربین می‌گویند. اگر سیاله ضمن گذشتن از ماشین کسب انرژی کند و مقدار انرژی خروجی بیشتر از انرژی ورودی آن باشد در این حالت به توربو ماشین، پمپ گفته می‌شود.

جریان سیالات در توربو ماشین دائمی بوده و قوانین هیدرودینامیک را می‌توان در آن‌ها به کاربرد بنابراین قوانین و تئوری های کلاسیک هیدرولیک یعنی تئوری برنولی و تئوری اولر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

قسمت‌های مختلف یک ماشین آبی

توربو ماشین ها و ماشین های آبی

در مورد توربو ماشین ها بیشتر بدانید

ماشین‌های هیدرولیکی به‌طورکلی از چهار قسمت مهم زیر تشکیل‌شده‌ است:

  • چرخ هادی

این چرخ دارای پره‌هایی بوده و همان‌گونه که از اسمش پیداست برای هدایت آب به‌طرف چرخ متحرک با سرعت و با جهت مناسب به کار می‌رود. امتداد پره‌های این چرخ را طوری تنظیم می‌نمایند که آب با سرعت دلخواه از آن خارج شود. در توربین‌ها، هنگام گذشتن آب از بین پره‌ها قسمتی از انرژی پتانسیل آن به انرژی سینتیک تبدیل می‌شود. در پمپ‌ها، آب با سرعت زیاد وارد این چرخ شده و با سرعت کم از آن خارج می‌شود و به این دیفوزر می‌گویند.

  • چرخ متحرک یا پروانه

چرخ متحرک مجهز به پره‌هایی است که با سرعت زیادی می‌چرخند و عمل تبادل انرژی بین پره‌های چرخ متحرک و جریان آب انجام می‌گیرد. در توربین‌ها چرخ متحرک وسیله تبدیل انرژی پتانسیل و سینتیک آب به انرژی مکانیک است که با سرعت ثابتی مانند w حول محور می‌چرخند.

در پمپ‌ها چرخ متحرک، انرژی مکانیکی را به انرژی فشاری و سینتیک تبدیل می‌کند و آب را با سرعتی زیادتر از سرعت اولیه به‌طرف جسم حلزونی پرتاب می‌سازد. جسم حلزونی آب خروجی از چرخ متحرک را دریافت و قسمتی از انرژی سینتیک آن را تبدیل به انرژی فشاری می‌نماید.

  • لوله مکش

این لوله آب را وارد چرخ متحرک پمپ می‌کند. درصورتی‌که در توربین آب را از ماشین خارج می‌کند که به لوله خروجی و یا دیفوزر معروف است. در توربین‌ها لوله مکش، لوله‌ی مخروطی واگرا است که بلافاصله بعد از چرخ متحرک قرارگرفته است.

رابطه توربوماشین و ماشین هیدرولیک

نکات توربو ماشین ها

آب خروجی از چرخ متحرک (در گلوی لوله مکش و یا پشت چرخ متحرک) سرعتی برابر با C2 داشته که مقدار انرژی (در واحد وزن) نظیر این سرعت برابر است با C22/2g. چنانچه چرخ متحرک توربین خیلی نزدیک سطح آب کانال خروجی آب نصب شود، درنتیجه‌ی ریزش آب چرخ بر روی آب کانال خروجی، ذرات آب به‌طرف بالا پرتاب می‌شود که اگر به چرخ متحرک برخورد کند با ایجاد ضربات باعث کند شدن حرکت چرخ متحرک می‌شود و ضریب بهره توربین پایین می‌آید و از طرف دیگر هر چه چرخ متحرک بالاتر از سطح آب کانال خروج آب نصب شود، قسمتی از انرژی آب و قسمتی از توان توربین به هدررفته و کاهش راندمان توربین را به همراه می‌آورد.

فشار در گلوی لوله مکش منفی است (کمتر از فشار اتمسفر) و باعث مکیده شدن آب از پشت چرخ متحرک می‌شود، ولی وجود لوله مخروطی واگرا سبب می‌گردد که در این لوله، سرعت رفته‌رفته کاهش یابد و بالعکس فشار به‌تدریج زیاد شود تا در انتها مساوی فشار جو گردد. بنابراین می‌توان گفت که دیفوزر باعث کاهش سرعت C2 و تبدیل انرژی سینتیک (C22/2g) به انرژی فشاری می‌شود.

  • محفظه حلزونی

این محفظه به فرم حلزونی بوده و احاطه‌کننده چرخ متحرک می‌باشد. در پمپ‌ها مایع پس از رانده شدن از چرخ متحرک به‌طور محیطی در درون این محفظه جریان می‌یابد و به‌طرف لوله تخلیه (لوله رانش) هدایت می‌شود.