توربین ها دسته ای از تجهیزات مهندسی هستند که انرژی سیال را به کار تبدیل می کنند، براساس نوع سیال توربین ها را به توربین های بخار، گازی و آبی تقسیم می کنند. از انواع توربین های آبی می توان به توربین پلتون، فرانسیس و کاپلان اشاره کرد.
در یک دسته بندی دیگر توربین های آبی به دو دسته ی توربین های ضربه ای (Impulse) مانند توربین پلتون (هد بالا-دبی کم) و توربین های عکس العملی (reaction) مانند توربین فرانسیس و کاپلان (هد کم – دبی زیاد) تقسیم بندی می شوند.
در توربین پلتون، بخشی از انرژی سیال از طریق چرخش محور توربین به کار مکانیکی تبدیل شده، بخش دیگر به واسطه اصطکاک سیال با پره های توربین مستهلک شده و باقی انرژی همراه جریان خروجی سیال از توربین تخلیه می شود. برای محاسبه نیروی وارد بر پره ها، توان و راندمان توربین یکی از پره ها را در نظر گرفته و حجم کنترل را روی آن مستقر می کنیم.
اگر V سرعت خروج جریان از نازل و uسرعت چرخش پره توربین باشد (u=Rω) سرعت نسبی برخورد آب به پره برابر(V-u) است.
: شعاع متوسط چرخ پره دار
β: زاویه ی انحراف جریان سیال
اگر از اثرات گرانش و اصطکاک سیال روی پره های توربین صرف نظر کنیم، سیال توربین را با همان سرعت ولی تحت زاویه ی β پره را ترک می کند. در این صورت:
r: شعاع توربین
ω: سرعت زاویه ای
β: زاویه ی انحراف سیال در توربین
ρ: چگالی سیال
عموماً زاویه ی پره ها از 165° بیشتر نیست و اصطکاک سیال روی پره ها را هم باید به صورت ضریبی به معادلات و روابط وارد کرد
V: سرعت خروج جریان سیال از نازل
u: سرعت پره
Q: دبی حجمی
می توان نشان داد ماکزیمم توان توربین هنگامی بدست می آید که =180°β و و در آن صورت:
ẇmax= ρQu(V-u)
ẇmax= ρQ
می توان گشتاور و توان خروجی توربین را به روش دیگری هم محاسبه کرده و آن اندازه گیری گشتاور و توان ترمزی است. اگر انرژی که واحد وزن سیال هنگام عبور از توربین از دست می دهد HT باشد توان از دست رفته برابر خواهد بود با:
W.H.P= ɣQHT
با نصب یک سیستم ترمزی روی محور خروجی توربین می توان بخشی از این توان را جذب کرد؛ اگر گشتاور خروجی محور توربین T و سرعت زاویه ای ωباشد:
B.H.P= Tω
و بازه ی توربین:
شرح دستگاه:
دستگاه از یک توربین پلتون که داخل محفظه قرار گرفته تشکیل می شود. آب از طریق یک نازل به پره ها پاشیده می شود، درصد باز شدگی نازل به کمک یک پیچ تنظیم قابل تغییر می باشد. روی محور توربین یک چرخ طیار نصب شده که دو نیروسنج به دو طرف آن متصل می باشند. میزان نیرو ی گشتاور ترمزی توسط این نیرو سنج ها اندازه گیری می شود.
روش آزمایش:
- پیچ نازل را بسته و پمپ را روشن می کنیم،
- پیچ نازل را کامل باز می کنیم تا آب چرخ پلتون را به حرکت درآورد.
- با پیچاندن مهره روی نیرو سنج ها در فواصل زمانی دلخواه بار توربین را اضافه می کنیم. در هر کدام از فاصله های زمانی با تاکومتر موجود روی دستگاه سرعت دورانی توربین و نیروی اعمال شده توسط نیروسنج ها را اندازه می گیریم. گشتاور خروجی عبارت است از:
و روابط براساس نیرو های ترمزی عبارتند از:
که در این روابط
W.H.P: توان بالقوه آب در ورود به توربین
B.H.P: توان ترمزی تسمه های متصل به پولی محور خروجی توربین
F1, F2: نیرو های خوانده شده از نیروسنج های متصل به پولی روی محور توربین
(بر حسب گرم که باید به نیوتن تبدیل شوند).
R= 0.025m= 25mm: شعاع پولی متصل به محور توربین
اطلاعات مربوط به میزان بازشدگی دریچه نازل در جدول ذکر شده است
Travel of spear : 6-7 mm
Diameter of nozzle outlet: 10 mm
روش انجام آزمایش:
- میز هیدرولیک را روشن کرده، پمپ ها را روشن و ولتاژ را روی 150Vتنظیم می کنیم
- به کمک پیچ متصل به نازل دریچه نازل را به تدریج باز کرده فشار آب در ورود نازل، نیرو ها و دور را اندازه می گیریم
- به کمک ظرف مدرج و کرنومتر دبی جریان سیال را اندازه می گیریم.
- اطلاعات را در جدول ثبت می کنیم
خواسته ها:
رسم نمودار های زیر برای توربین
T-N , P-N , η-N، T-Q , P-Q , η-Q
