الثانى� • البابالدفعية - 2• (:Impulse turbines)التوربينات

تعريف:- 2.1•

نتيجة • يعمل الذى التوربين هو الدفعي التوربينالماء ) الدفعي(. impulseلدفع التوربين في

انابيب خط خالل الخزان بحيرة من الماء ينسابمنفث ) الى ثم توجيه منظومة عبر ( . nozzleثم

يتحول الماء في المتاح السمت كل فان وعليهتثبيته يتم والذى المنفث خالل حركة طاقة الى

الدوار من قريبا

المائي • النفث بتوجيه المنفث ( water jet)يقومفي الدوار محيط على المثبتة الريش الى

. بالريش المائي النفث يصطدم المماس اتجاهمن الطاقة تنتقل وبالتالي عالية سرعة عندعلى المائي الدفع بواسطة الدوار الى الماءنفس. هو المخرج عند الضغط يكون الريش

مساويا ويكون الريش مدخل عند الضغطالجوي ) من(.. atmospheric pressureللضغط

فى كثيرا والمستخدمة المعروفة التوربيناتبلتون توربين هو الكهرومائية القدرة محطات

(Pelton turbine( .)2.1الشك�ل ) يوضح أدناهيستخدم هيدرومائية لمحطة توضيحيا رسما

. بلتون توربين فيها

بلتون - • (:Pelton turbine)توربين•( دفعى توربين هو بلتون ( impulse turbineتوربين

مماسى إنسياب فيه اإلنسياب ويكون(tangential flow )بأنه بلتون توربين يصنف

عالى ) سمت وسرعة( high head turbineتوربينمنخفضة ) من(. low specific speedنوعية ويعتبر

. الدفعية للتوربينات المعروفة االمثلةلتوربين( 2.2الشكل) تخطيطي�ا رسما يوضح

االتية االساسية االجزاء من يتكون الذى و بلتون :

( )runnerدوا�ر منفث( ،nozzle )،( خارجي كابح( )casingغالف نفث ،Breaking

jet)

:(runner)الدوار- •يتم • دائري قرص عن عبارة هو الدوار

تثبيت ويتم التوربين عمود على تثبيتهالقرص لهذا الخارجي المحيط على ريش

قدح. ) شكل في الريشة ( bucketتكونفاصل ) بجدار منتصف( splitterمزود عند

يوضح كما القطر نصف اتجاه في القدحالريشة( 2.3الشكل) مخرج يكون وبذلك ،

من التخلص في ذلك ويساعد مزدوج. والمحامل العمود على المحوري الحمل

الصب • حديد من الريش تصنيع cast)يمكنiron( )البرونز سبائك الفوالذ( bronzeاو او

للصدأ ) أن(. Stainless steelالمقاوم يجبناعم ) الريش سطح وذلك( smoothيكون ،

صب . يتم ان يمكن االحتكاك لتقليلولكن واحدة كوحدة والقرص الريش

منفصلة كوحدات الريش تصنيع يتم عادةالدوار محيط على تثبيتها ذلك بعد ويتم

عملية يسهل مما مسامير بواسطةاستبدال فقط يمكن حيث الصيانة

تآكل فيها يحدث التي الريش او الريشةتغيير الى االحتياج دون آخر تلف أى أو

. الدوار كل

( :nozzle)المنفث- ••( الشكل ) يتم(( 2.4المنفث، م�عدني جزء عن عبارة هو ،

المصدر من للماء الناقل االنبوب نهاية عند تثبيتهيخرج حيث المقطع مستدير المنفث مخرج ويكون

. الدوار بريش ليصطدم عالية سرعة عند المائي النفثعند • كهربائي مولد الدارة عادة بلتون توربين يستخدم

الواقع التحميل مقدار عن النظر بغض ثابتة سرعةتغيير اي فان ثابتة السرعة تكون وحتى المولد على

في مناظر تغيير يصاحبه ان يجب التحميل م�قدار فيلذلك التوربين الى الماء من المحولة القدرة مقدار

م�خروطية بابرة مزود بلتون توربين في المنفث فان(spear or conical needle )اتجاه في تتحرك ان يمكن

خالل المنساب الماء كمية في للتحكم وذلك المحورالماء من المحولة القدرة مقدار في وبالتالي المنفث

التوربين . الى�

مساحة. • تقليل في االمام الى االبرة حركة تتسببفي االنسياب معدل تخيض� وبالتالي االنسياب

الخلف الي االبرة حركة تتسبب بينما الخارج النفثحركة . في التحكم� يتم االنسياب معدل زيادة في

. اتوماتيكي تحكم منظ�ومة بواسط�ة او يدويا االبرةقفل يتم ان احيانا التشغيل ظروف تتطلب

ويؤدى االبرة بواسطة ذلك ويتم فجاءة المنفثفي الماء ضغط في مفاجئ ارتفاع الى� ذلك

االنبوب انفجار الى� ذلك يؤدى وقد الناقل االنبوبجانبي منفث استخدام يتم ذلك يحدث ال وحتى

(bypass nozzle )ان دون الماء امرار خالله من ليتملوحة . استخدام يتم احيانا الدوار بريش يصطدم

)Deflecting plateحارفة ) الشكل( يوضح ،( 2.5كماثم جزئيا المنفث من الخارج النفث اتجاه لتغيير

. المطلوب الوضع في االبرة ضبط يتم ذلك بعد

الخارجي- 3• (:casing)االطاربلتون توربين في الخارجي االطار وظيفة

اي إحداث عن بعيدا وعزله الدوار حماية هيلعدم الخارجي االطار يعمل كما اصابات

وتصريفه الريش من الخارج الماء تشتت( ) السفلى ) القناة الصرف مستودع tailالى

race . )في الخارجي االطار فان وبالتاليوظيفة اي له ليست بلتون توربين

من . الخارجي االطار تصنيع يتم هيدروليكيةالصب ) الفوالذية( cast ironحديد االلواح او

(steel plates.)

الكابح- 4• :(Braking Jet)النفثفانه • الدوران عن الدوار ايقاف يراد عندما

االنسياب تحويل او نهائيا المنفث قفل يتماللوحة باستخدام او الجانبي المنفث عبر

دوران حالة في الدوار يظل ولكن الحارفةالذاتي القصور خاصية بسبب طويلة لفترة

(inertia .)الدوار ايقاف يتم وحتى وعليهكابح نفث استخدام يتم قصيرة فترة خالل

نسبيا الحجم صغير منفث من يخرجوبالتالي للريش الخلفي بالسطح ليصط�دم

حتى الدوار دوران سرعة تخيض في يتسبب. قصيرة فترة خالل سكون حالة في يكون

والكفاءة -• (:Power and efficiency)القدرةسمت )• تحت الماء ينساب ( Hعندما

إنسياب ) القدرة( Qومعدل فإن ، : بالعالقة تعطى الماء هذا فى المتوفرة

• •. الكثافة هى حيث•( الشكل المتاح( 2.1فى السمت يعرف ،

المدخل، عند بالسمت Hللتوربين ،السمت( effective headالفعال) او

بالعالقة( net headالصافي ) ويعطياالتية :

gQH

hhHH fg

مس�توى: بين الفرق ويساوي الكلي الس�مت هو حيث�الخزا�ن • بحيرة في الماء ( headrace)س�طحالسفلى )• القناة في الماء سطح tailومستوى

ace.)القناة • في الماء سطح عن المنفث ارتفاع هو(tail raceالس�فلى )•لالحتكاك • نتيجة المفقود الكلي الس�مت هو

والعوامل الصمامات )• مثل االنحناءات( valvesاالخرى•( elbows )،االنابيب� خط في االخرى والتركيبات

بفقداالحتكاك م�قارنة صغيرة عادة الفقودات هذه تكونلذلك

سمت هو الفاقد السمت يكون وبالتالي اهمالها يتماالحتكاك

: ا�التية بالعالقة ويعطي

gH

h

fh

الناقل • االنبوب طول هو حيث(penstock)

االنبوب • قطر هو•. االنبوب في االنسياب سرعة هي•. االنبوب في االحتكاك� معامل هو

gdfLh f 2

v.4 2

Ldvf

•: بالعالقة المنفث من الخارج النفث سرعة تعطي• السرعة • معام�ل هو ( velocity coefficient)حيث

بين عادة 0.99و 0.97ويتراوحالى • الماء من المحولة الطاقة فان اويلر مع�ادلة من

: االتية بالعالقة تعطي التوربين

المطلقة • للسرعة المماسية المركبة هي حيثعند للماء

•) ( المدخل عند التدويم سرعة المدخلللماء • المطلقة للس�رعة المماسية المركبة هي

عند •) المخرج ) عند التدويم سرعة المخرجالمدخل • عند للدوار المماسية السرعة هىالمخرج • عند للدوار المماسية السرعة هى

gHCv 2v1

vC

gvuvu

E ww 2211

1vw

2vw

1u2u

المدخل • عند المماسية السرعات ان وبماالقطر نصف نفس عند تحدثان والمخرج

فان :

.Dحيث : • الدوار قطر هو• N. الدوران سرعة هي•: يلى كما تصبح أويلر معادلة فإن عليه و•

مخططات( 2.5الشكل)• يوضح أدناهالمدخل ) عند و( inletالسرعة

توربين( outletالمخرج) فى للريشةبلتون.

6021DNuuu

21 ww vvguE

• : الشكل هذا فىالمدخل • عند المطلقة السرعة هىالمخرج • عند المطلقة السرعة هىعند • للماء النسبية السرعة هى

المدخلعند • للماء النسبية السرعة هى

المخرج�•: أن المدخل عند السرعة مخطط من يتضح• •

1v

2v

r1vr2v

11 vvw

uvvr 11

المخرج : عند السرعة مثلث ومن

أن : كماالسرعة kحيث في النخفاض معامل هو

. لالحتكاك نتيجة النسبية

cos

180cos

2

22

r

rw

vuvuv

uvkkvv rr 112

uvkuvاوguE

uvkuvguE

uvkuVw

cos

cos

cos

11

11

12

cos11 kuvguE

تحويل • يوجد ال انه توضح أعاله المعادلةاو صفر الريش سرعة كانت اذا طاقة

: أى النفث سرعة تساوي

فى ) ( • الحركة طاقة الداخلة الطاقةهي : الوزن وحدة

هي :• الدوار كفاءة

01 uاوvu

gvEK2

..21

cos1212

1kuv

v

u

قيمتها • عند المحولة الطاقة تكوناألولى المشتقة تكون عندما القصوى

تساوى المحولة الطاقة لمعادلة•: أن أى صفرا،

عندما • تحدث القصوى الكفاءة أن أى

هي : • القصوى الكفاءة فإن وعليه

02 v

0cos1

1

21

u

gkuuv

dud

zerodudE

121 vu

cos121

max k

• : فإن المثلى الحالة في

•: هى القصوى� الكفاءة تكون وبالتالى

قيمة • تكون و احتكاك يوجد عادة kعمليا0.85و 0.8بين

بين • التداخل ولتفادي ذلك الى إضافةتكون الخارج والنفث الداخل النفث

تكون عادة ، من أقل الزاويةحوالي

تحدث • القصوى� الكفاءة فان وعليهحوالى النسبة تكون أى 0.46عندما ،

أن :

1,180 k

%100max

180165

1vu

46.01

vu

الهيدروليكية • الكفاءة عن التعبير يمكن: االتية بالعالقة ايضا

اويلر Eحيث • سمت هو• H عند للتوربين المتاح السمت هو

) الفعال ) السمت المدخل

HE

h

الميكانيكية • ( Mechanical efficiency) الكفاةالدوار • بواسطة المتولدة القدرة تعطى

بالعالقة: الفعلي Qحيث • االنسياب معدل هو

. الدوار خالل• E أويلر سمت هوعمود • في المتوفرة القدرة تكون

المتولدة( Pالتوربين ) القدرة من أقلالناتج للفقد نتيجة وذلك الدوار بواسطة

وغيرها المحامل في االحتكاك عنفي المتوفرة القدرة فان وبالتالي

المتولدة القدرة عن تقل العمودالفاقد بمقدار الدوار بواسطة

عن( Mechanical lossالميكانيكي ) ويعبرتعطي والتي الميكانيكية بالكفاءة ذلك

بالعالقة:

EgQa

EgQP

am

توربين • في الميكانيكية الكفاءة تتراوحبين سعة 0.99و 0.97بلتون علي وتعتمد

. التوربين وحجمالحجمية • (Volumetric)الكفاءةخالل • المنساب الفعلي الماء حجم يكون

الكلي الماء حجم من اقل الدوارالنفث خالل نتيجة Qالمنساب وذلك

بالكفاءة( leakageللتسرب ) ذلك عن ويعبر : االتية بالعالقة تعطي والتي الحجمية

• توربين • في الحجمية الكفاءة تتراوح

بين 0.99و 0.97بلتون

aQ

QQa

v

الكلية • ( Overall efficiency)الكفاءةالقدرة • بنسبة الكلية الكفاءة تعرف

القدرة الي التوربين عمود في المتاحةالي الداخل المائي النفث في المتاحة

: ان اي التوربين

الكفاءة • كتابة يمكن أعاله المعادالت ومناالتية : الصورة في الكلية

ان :• اي

HgQP

o

QQ

EgQP

HE

gQHP a

ao

vmho

هي • الكهربائي المولد كفاءة كانت اذاالتوليد محطة من الخارجة القدرة فان

هي:

بكفاءة الضرب حاصل يعرفالهيدرومائية hydroelectric plant)المحطة

efficiency.)

g

gQHgo

go

بتصميم - 3• المتعلقة الجوانب بعض: بلتون توربين

يجب • بلتون توربين تصميم عملية في: االتية النقاط اعتبار

مدخل- 1• عند النفث سرعة تعطي: االتية بالعالقة التوربين

السرعة • معامل هو velocityحيثcoefficient ) )

بين • عادة 0.99و 0.98ويتراوح• H مدخل عند المتاح السمت هو

التوربين

gHCv 2v1

vC

الدوار - 2• لعجلة المماسية السرعة تعطيبالعالقة:

بين • وتتراوح السرعة نسبة هي حيث 0.48و 0.43

الريش- 3• خالل النفث انحراف زاوية تكونعادة

اخري • قيمة تذكر لم ماالدوار- 4• لعجلة المتوسط القطر يعطي

(mean diameter( )الخطوة قطر pitchأوdiameter)

•: االتية بالمعادلة• الدوران )Nحيث • سرعة ( .rpmهي

gHku u 2

uk

o165

NouD

6

النفث 5-• نسبة بنسبة( Jet ratio)تعرفللدوار ) المتوسط نسبة( Dالقطر الي

( dالنفث )بالرمز • لها :mويرمز ان اي•

عادة • النفث نسبة قيمة ولكنها 12تكونبين قيمة اي تاخذ ان 16و 11يمكن

dDm

توربين • في واحد منفث يستخدم عادةاذا اكبر عدد استخدام يمكن ولكن بلتون

اكبر قدرة توليد هو المطلوب كان . يمكن نظريا الدوار نفس بواسطة

يمكن 6استخدام عمليا ولكن منافثوضع في الدوار كان اذا منفثين استخدام

و في 4راسي الدوار كان اذا منافث . المتعددة المنافث حالة في افقي وضع

المنفث خالل االنسياب معدل يكونالكلي االنسياب لمعدل مساويا الواحد

. المنافث عدد علي مقسوما

عجلة • علي المثبتة الريش عدد يكونإستمرار حالة تتحقق بحيث كافيا الدوار

بالريش دائما المائي النفث إصطدامالحجمية الكفاءة قيمة تكون حتي وذلك

الريش. عدد يعطي :z)كبيرة بالعالقة(

الدوار Dحيث • عجلة قطر هو• d النفث قطر هو

mdDZ 5.0152

15

االساسية • االبعاد توضح االتية العالقاتالشكل ) في والموضحة (:2.3للريشة

• • 

ddTddLddB

2.1~8.03~24~3

(:2.1مثال )•قدرة • ينقل بلتون عند kW 3750توربين

نفثان rpm 375السرعة هنالكالخزان . مستوى من السمت متشابهان

المنفث الناقل 200mإلى األنبوب كفاءة% . 90والمنفث مماسا النفث يكون

قطرها السرعة . 1.45mلدائرة تنخفضبمقدار انحراف% . 10النسبية زاوية

، الساكنة الريش في النفثأوجد:

الدوار،- 1 • كفاءة• 2. الواحد- النفث قطر

1651vC

الحل

smDNu

smv

mHgHCv

kuvvu

v

/5.2860

37545.160

/5.591808.92

1802009.02

cos12

1

1

121

165cos9.015.285.59

5.59

5.2822

%1.98

kWPPi 3825981.0

3750

kW5.19122

3825

32

21

221

1

21

5.598

10005.1912

8.

22.

d

vdgvgAv

gvW

md 152.0

(2.2مثال)•ناقل • انبوب خالل بالماء تزويده يتم بلتون توربين

للتوربين. m 1وقطره . km 4طوله الكلي السمتm 400 الناقل لالنبوب االحتكاك معامل قطر 0.008،

النفث،• m 0.15 . تنخفض النفث انحراف زاوية

لالحتكاك نتيجة المخرج عند للماء النسبية السرعةبمقدار % الريش السرعة 15فى نسبة و 0.45،

الميكانيكية % أوجد . :-85الكفاءةالدوار- 1 • الى الماء من المحولة القدرةالتوربين- 2 • عن الناتجة القدرةالهيدروليكية- 3 • الكفاءةالكلية- 4 • الكفاءة

165

(2.3مثال)•منفثين • خالل تشغيله يتم بلتون توربين

مقدارها قدرة قطر MW 14.45وينتج ،الواحد الصافي )m0.2النفث net،السمت

head )للتوربينm400 معامل ان بفرض ،الكلية Cv=1.0السرعة الكفاءة أوجد ،

للتوربين .

(2.4مثال)•بلتون • لتوربين الكلي ، m250السمت

، االنسياب ومعدلدوارين • على التوربين يشتمل ،

تشغيل ويتمنفس • لهما منفثين بواسطة منهما كل

الناقل. االنبوب طول ، km3القطرالناقل االنبوب خالل القدرة نقل كفاءة

دوار 91والمنفث % كل كفاءة ،0.9 ،منفث . لكل السرعة معامل

: الناقل لالنبوب االحتكاك معامل4f=0.004-: أوجد ،

التوربين • عن الناتجة القدرةالناقل )• االنبوب وقطر النفث 0.14قطر

m ، 0.955 m )

sm /4 3

975.0vC

(2.5مثال)•متشابهان • نفثان بواسطة يعمل بلتون توربين

فعال سمت مقدارها m420تحت قدرة وينتجMW4.8 . الدوران النفث. rpm480سرعة ينحرف

بالزاوية الريش خاللللتوربين %• الكلية معامل . 85الكفاءة

للمنفث السرعة 0.97السرعة نسبة ،0.46 . تعادل % المخرج عند للماء النسبية 86السرعة

-: . أوجد المدخل عند النسبية السرعة منالواحد • النفث قطرللريش • الخطوة دائرة قطرللتوربين • الهيدروليكية الكفاءة

165

(2.6مثال)•مولد • بتش�غيل ويقوم مفرد بنفث مزود بلتون توربين

مقدارها قدرة لتوليد السمت . MN 10كهربائيالمنفث عند الكهربائي m760المتاح المولد كفاءة ،

التوربين %95% السرعة 87،وكفاءة معامل ،للريش 0.97للمنفث المتوس�طة الس�رعة ،

النفث . 0.46تعادل ينحرف� النفث سرعة منمقدارها زاوية خالل الريش بواس�طة

الريشة . • مخرج عند للماء النسبية الس�رعةأوجد :-0.85تعادل المدخل عند النسبية السرعة من

•( ، االنسياب النفث( 2معدل قطرالماء( 3)• بواسطة الريش على المؤثرة القوةمتزامنة( ))4)• سرعة للتوليد synchronous speedافضل

اذا Hz 50بذبذبة للريش المناظر المتوسط ،والقطرالنفث قطر الى للريش المتوسط القطر نس�بة كانت

عن تقل .10ال

165