توربوماشین (Turbomachinery)3 - نسخه‌ی قابل چاپ +- تالار گفتگوی کیش تک/ kishtech forum (http://forum.kishtech.ir) +-- انجمن: پردیس فناوری کیش (http://forum.kishtech.ir/forumdisplay.php?fid=1) +--- انجمن: مهندسی مکانیک (http://forum.kishtech.ir/forumdisplay.php?fid=205) +--- موضوع: توربوماشین (Turbomachinery)3 (/showthread.php?tid=44366)

توربوماشین (Turbomachinery)3 - amir315hossein - 24-08-2020 ) گفته می‌شود. در شکل زیر یک ملخ هواپیما به تصویر کشیده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود در این نوع از توروبماشین‌ها، حجم نامحدود و غیر قابل کنترلی از سیال کاری، در مسیر پره‌های توربوماشین قرار می‌گیرد. ملخ (Propeller) نکته دیگری که در بررسی ساختار توربوماشین‌ها باید به آن توجه کرد این است که آن‌ها شامل «پره‌های ساکن» (Stationary Blades) هستند. علاوه بر این، توربوماشین‌ها شامل «پره‌های چرخان» (Rotor Blades) نیز هستند. در توربوماشین به «پره» (Blade)، «وِین» (Vane) نیز گفته می‌شود. به قسمت دوار یک توربوماشین‌ «روتور» (Rotor)، «رانِر» (Runner) یا «ایمپِلِر» (Impeller) گفته می‌شود. وِین‌ها می‌توانند طوری در مسیر سیال کاری قرار بگیرند که به آن شتاب دهند. در این حالت می‌توان آن‌ها را به عنوان «نازل» (Nozzles) در نظر گرفت. علاوه بر این، جهت قرارگیری وین‌ها در مسیر سیال کاری می‌تواند طوری باشد که سیال با عبور از آن‌ها پخش شود. در این حالت، وین‌ها به عنوان یک «دیفیوزر» (diffuser) در مسیر جریان عمل می‌کنند. انواع توربوماشین‌ از نظر جهت حرکت سیال توربوماشین‌ها از نظر جهت غالب حرکت سیال نسبت به محور روتور به سه دسته «جریان محوری» (Axial-Flow)، «جریان شعاعی» (Radial-Flow) و یا «جریان مخلوط» (Mixed-Flow) تقسیم می‌شوند. در شکل زیر یک توربوماشین جریان شعاعی و یک توربوماشین جریان محوری به تصویر کشیده شده‌ است. همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، در یک توربوماشین جریان محوری، سیال از ورودی تا خروجی نسبت به محور روتور جریان افقی خود را حفظ کرده است و در حالت جریان شعاعی، سیال به صورت محوری به ماشین وارد می‌شود و به صورت شعاعی آن را ترک می‌کند. همچنین مدل سومی از توربوماشین‌ها نیز وجود دارد که به آن‌ها جریان مخلوط گفته می‌شود. در این نوع از توربوماشین‌ها، سرعت سیال کاری در مسیر پره‌های آن‌ به صورت ترکیبی از حالت شعاعی و محوری است. روابط پایه جریان واقعی در توربوماشین‌ها بسیار پیچیده است ولی در تحلیل‌ها با استفاده از برخی ساده‌سازی‌ها می‌توان به درک درستی از جریان دست پیدا کرد. همچنین پایه‌‌ای‌ترین مفهوم در توربوماشین‌ها که در تمام تحلیل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، مفهوم مثلث سرعت است. مثلث سرعت، ارتباط بین سرعت‌های مختلف در یک ماشین دوار را نشان می‌دهد. یک فن که با سرعت دورانی ثابت ω در حال چرخش است را مطابق شکل زیر در نظر بگیرید. شکل ۱ سرعت پره این فن همانطور که در شکل بالا نشان داده شده، با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌شود. در این رابطه ω سرعت دورانی فن و r فاصله شعاعی از محور فن را بیان می‌کند. همچنین در مسائل توربوماشین، سرعت مطلق سیال با V نشان داده می‌شود. سرعت مطلق سیال، سرعتی است که توسط ناظر ساکن خارج از فن دیده می‌شود. در مطالعات توربوماشین، سرعت نسبی سیال نیز با استفاده از W نمایش داده می‌شود. این سرعت، سرعت از دید ناظری را نشان می‌دهد که روی پره فن قرار دارد و همراه با فن در حال چرخش است. با توجه به نکاتی که ذکر شد، ارتباط بین سرعت مطلق سیال، سرعت نسبی سیال و سرعت فن به شکل زیر قابل بیان است. در شکل زیر مثلث سرعت در ورودی و خروجی فن نشان داده شده در شکل 1، رسم شده است. صفحه‌ a-b-c-d یک بخش از صفحه‌ استوانه‌ای این فن است. این صفحه استوانه‌ای در شکل ۱ نشان داده شده است. در مسائل توربوماشین، فرض می‌شود که سیال در ورودی و خروجی پمپ، در امتداد پره حرکت می‌کند. بنابراین جهت سرعت نسبی (W)، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده، در نقطه‌ ۱ و ۲ به ترتیب موازی «لبه‌ حمله» (Leading Edge) و «لبه فرار» (Trailing Edge) است. فرض دیگر در این مسائل این است که سیال در فاصله یکسانی از محور دوران، به پره وارد و از آن خارج می‌شود. بنابراین سرعت پره در ورودی و خروجی برابر با مقدار ثابت زیر در نظر گرفته می‌شود. در توربوماشین‌های واقعی، مسیر ورود و خروج سیال ممکن است موازی با پره‌ها نباشد و سیال کاری می‌تواند در شعاع‌های متفاوتی به فن وارد و از آن خارج شود. اما ساده سازی‌هایی که در بالا به آن‌ها اشاره شد در اکثر مسائل توربوماشین مورد استفاده قرار می‌گیرد و با استفاده از این ساده سازی‌ها مثلث سرعت قابل رسم است. در مثلث سرعت فن بالا، فرض شده است که سیال در ورودی، موازی با محور دوران به فن وارد می‌شود. نکته مهم دیگری که در این شکل نشان داده شده، این است که هندسه و سرعت دوران پره‌ فن باعث شده است که سیال تغییر جهت بدهد و جهت سرعت مطلق سیال در ورودی و خروجی (V1 و V2) متفاوت باشد. در این مسائل، جهت دوران را با نماد θ («جهت مماسی» (Tangential Direction)) نمایش می‌دهند. بنابراین همانطور که مشاهده می‌شود، سرعت مطلق سیال در ورودی (V1)، هیچ ترمی در راستای مماسی ندارد ولی ترم مماسی سرعت مطلق در خروجی (V2) مخالف صفر است. بنابراین همانطور که در شکل بالا نشان داده شده، سرعت مطلق در خروجی در جهت سرعت دورانی پره منحرف شده است. از همین رو پره، نیرویی در راستای مماسی به سیال وارده کرده که جهت یکسانی با جهت حرکت دورانی پره‌ها دارد. با توجه به موارد ذکر شده می‌توان نتیجه گرفت که در این توربوماشین انرژی مکانیکی به سیال داده شده و این توربوماشین یک پمپ است (سیال کاری این توربوماشین آب در نظر گرفته شده است). به عنوان یک مثال دیگر، آسیاب بادی مطابق شکل زیر را در نظر بگیرید. مثلث سرعت را در این آسیاب بادی مطابق توضیحات بالا رسم می‌کنیم. همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، سرعت نسبی سیال در ورودی و خروجی، هم‌جهت با پره آسیاب رسم شده‌اند. نکته دیگر این است که جهت سرعت مطلق پره‌ در ورودی و خروجی یکسان و به سمت پایین است. با دقت به این اشکال متوجه می‌شویم که سرعت مطلق سیال در ورودی، هیچ ترم مماسی ندارد ولی در خروجی آسیاب، ترم مماسی سرعت مطلق سیال برابر با صفر نیست و به سمت بالا منحرف شده است. توجه کنید که جهت انحراف سرعت مطلق سیال با جهت حرکت پره‌ها مخالف است. در واقع در این مثال، انرژی مکانیکی از پره توربین به سیال وارد نشده است و این سیال است که نیرویی به سمت پایین به پره وارد می‌کند و نیروی عکس‌العمل آن از جانب پره به سیال در جهت بالا وارد می‌شود. بنابراین با توجه به توضیحات ارائه شده، در این توربوماشین، انرژی از سیال به پره توربوماشین وارد می‌شود.