فهرست
مقدمه ای بر چاپ پنجم ............................................................................................................... 31
مقدمه ای بر چاپ چهارم ............................................................................................................ 3۱
مقدمه ای بر چاپ سوم ............................................................................................................... 36
قدردانی ...................................................................................................................................... 35
فهرست علایم ............................................................................................................................. 33
فصل اول ................................................................................................................................... 10
مقدمه: ابعادی ............................................................................................................................. 10
تحلیل: تشابه ............................................................................................................................... 10
تعریف یک توربوماشین ................................................................................................................ 10
واحدها و ابعاد ........................................................................................................................... 11
11................................................................................................................. SI بعضی از واحدهای
تحلیل ابعادی و قوانین اجرایی ................................................................................................... 1۱
تحلیل جریان تراکم ناپذیر ............................................................................................................ 16
مشخصه های اجرایی .................................................................................................................. 13
متغیر شکل هندسی ماشین های توربینی.......................................................................................... 12
سرعت معین ................................................................................................................................. 13
حفرهسازی .................................................................................................................................... ۱0
محدودیت های حفرهسازی ............................................................................................................. ۱1
دما و فشار ایستایی ....................................................................................................................... ۱۱
تجزیه و تحلیل جریان متراکم ......................................................................................................... ۱6
فصل دوم ...................................................................................................................................... ۱۳
ترمودینامیک های پایه، مکانیک سیالات : تعاریف بازدهی .................................................................. ۱۳
مقدمه ............................................................................................................................................ ۱۳
معادلهی استمرار و دوام ................................................................................................................. ۱۳
اولین قانون ترمودینامیک – انرژی درونی ........................................................................................ 60
معادلهی انرژی جریان دایمی و پایدار ........................................................................................... 60
معادلهی مقدار حرکت– قانون حرکتی دوم نیوتن ............................................................................ 61
معادلهی حرکتی اولر .................................................................................................................... 61
معادلهی برنولی ............................................................................................................................. 61
اندازهی حرکت ............................................................................................................................. 6۱
معادلات پمپ و توربین اولر .......................................................................................................... 66
تعریف روتالپی.............................................................................................................................. 65
قانون دوم ترمودینامیک – آنتروپی ) واحد اندازه گیری ترمودینامیک (............................................... 65
تعاریف کارایی و بازدهی ............................................................................................................. 63
راندمان توربین ها ...................................................................................................................... 62
توربین های بخار و گازی ........................................................................................................... 63
توربین های هیدرولیکی ................................................................................................................ 50
مرحله کوچک یا بهره وری پلیتروپیک ............................................................................................ 51
روند متراکمسازی ....................................................................................................................... 51
بهره وری مرحله کوچکی از یک گاز کامل .................................................................................... 56
بهره وري پليتروپيك توربين ........................................................................................................ 56
عامل بازگرمايش ......................................................................................................................... 57
راندمان نازل . ............................................................................................................................. 58
منتشركننده ها . ........................................................................................................................... 60
پارامترهاي عملكرد پخش كننده ها ............................................................................................... 61
تعدادي مشخصه در اجراي پخش كننده ها .................................................................................... 65
بيش ترين فشار بازيافتي ............................................................................................................. 66
محاسبه طراحي پخش كننده ...................................................................................................... 67
آناليز جريان در پخش كننده هاي نامتحدالشكل (غيريكنواخت) ................................................... 68
مسائل ..................................................................................................................................... 70
فصل سوم .............................................................................................................................. 72
جريان هاي آبشاري دو بعدي ................................................................................................... 72
مقدمه ..................................................................................................................................... 72
شيوه ي نام گذاري آبشاري . .................................................................................................. 73
تحليل نيروهاي آبشاري .......................................................................................................... 73
تلفات انرژي: ........................................................................................................................ 74
برداشتن و كشيدن (درگ و ليفت كردن) ................................................................................ 76
جريان و بالا رفتن . ............................................................................................................ 77
بازده كمپرسور آبشاري: ..................................................................................................... 78
عملكرد آبشارهاي دوبعدي: ................................................................................................. 79
تونل هوادار (باددار) آبشاري .............................................................................................. 79
نتايج آزمايش آبشاري ......................................................................................................... 81
عملكرد آبشار كمپرسوري ................................................................................................. 82
عملكرد آبشار توربيندار ..................................................................................................... 84
روابط كمپرسور آبشاري . .................................................................................................. 84
معادله هاول . ..................................................................................................................... 88
انحراف سيال . .................................................................................................................. 88
عملكرد خارج از طراحي . ................................................................................................. 90
تأثير عدد ماخ .................................................................................................................... 91
طراحي پره توسط مكنزي .................................................................................................. 92
رابطه آبشاري توربين . ..................................................................................................... 95
معادلات افت كلي فشار ..................................................................................................... 95
اصلاح عدد رينولدز . ........................................................................................................ 98
زاويه هواي خروجي از پره هاي آبشاري توربين ................................................................ 98
مقايسه افت حالت در توربين هاي آبشاري و در مرحله توربين ............................................. 98
نسبت بهينه مكان به محور در پره هاي توربين ..................................................................... 99
مسائل ............................................................................................................................... 100
فصل چهارم ...................................................................................................................... 103
توربين هاي جريان محوري ............................................................................................... 103
تئوري دوبعدي . ............................................................................................................... 103
مقدمه ............................................................................................................................. 103
نمودارهاي سرعت در سطح توربين هاي محوري ............................................................ 103
بررسي ترموديناميك در سطح توربين محوري . ............................................................... 104
مرحله راندمان و فقدان . ................................................................................................. 105
رابطه ي سودبرگ ........................................................................................................... 107
انواع طراحي توربين محوري ........................................................................................ 108
مرحله واکنش ............................................................................................................... 330
مرحله واکنش صفر ...................................................................................................... 330
331 .................................................................................................... % مرحله واکنش 50
پراکندگی درون ردیف های پره .................................................................................... 331
انتخاب واکنش و تأثیر در راندمان.................................................................................. 333
طراحی راندمان نقطه ای طبقه توربین .......................................................................... 332
332 .............................................................................. % راندمان کلبهکل طبقه واکنش 50
عملکرد کلبهکل طبقه با واکنش صفر ............................................................................. 333
عملکرد ساکن بهکل طبقه با سرعت محوری در خروجی ................................................ 33۳
حداکثر راندمان ساکن به کل طبقه توربین برگشت پذیر ................................................... 313
بارها )فشارها( در پره های چرخنده توربین ................................................................... 31۱
بارهای )فشارهای( سانتریفیوژ ....................................................................................... 316
خنک سازی پره ی توربین ............................................................................................. 31۳
ویژگی های جریان توربین ............................................................................................. 3۱0
ویژگی های جریان یک توربین چند مرحله ای .................................................................. 3۱1
توربین ول ز................................................................................................................... 3۱5
مقدمه ............................................................................................................................ 3۱5
اصول کار ..................................................................................................................... 3۱3
تجزیه و تحلیل جریان دوبعدی ....................................................................................... 3۱2
متغیرهای طراحی و اجرا .............................................................................................. 3۱3
تأثیر ضریب جریان ........................................................................................................ 360
تأثیر استحکام پره ............................................................................................................ 360
تأثیر نسبت نوک توپی ....................................................................................................... 360
حرکت آغازین توربین ولز ............................................................................................... 360
پره های کنترل سیستم مرکب ........................................................................................... 363
مقدمه ............................................................................................................................... 363
توربینی با پره های کنترل خود نوسان .............................................................................. 363
توربین آیرودینامیکی با متغیرات نوسانی............................................................................. 365
مطالعات دیگر .................................................................................................................. 362
مسائل ............................................................................................................................. 363
فصل پنجم ........................................................................................................................ 351
کمپرسورها و پره های جریان محوری ............................................................................... 351
معرفی .............................................................................................................................. 351
آنالیز مرحله دو بعدی کمپرسور ......................................................................................... 35۱
نمودارهای سرعت از مرحله کمپرسور .............................................................................. 356
روابط ترمودینامیکی طبقه کمپرسور .................................................................................. 355
روابط افت مرحله و راندمان ............................................................................................ 353
انتخاب واکنش .................................................................................................................. 353
بارگذاری مرحله ............................................................................................................... 35۳
عملکرد ساده شده خارج از طرح ....................................................................................... 330
افزایش فشار طبقه ............................................................................................................. 333
نسبت فشار یک کمپرسور چندمرحله ای .............................................................................. 331
تخمین راندمان طبقه کمپرسور ........................................................................................... 33۱
پدیده های استال و موج در کمپرسورها ............................................................................... 333
استال و موج چرخشی ........................................................................................................ 320
کنترل ناپایداری جریان ....................................................................................................... 323
تعریف کیفی مکانیسم پایدار توسط گریتز و گیسلینگ ............................................................. 321
جریان محوری مجرای تهویه ها ......................................................................................... 32۱
نظریه عنصر پره ............................................................................................................. 326
ضریب بالابرندگی یک ورق پره.......................................................................................... 322
مسئله ها .......................................................................................................................... 323
فصل ششم........................................................................................................................ 333
جریان های سه بعدی در توربوماشین های محوری ........................................................... 333
مقدمه .............................................................................................................................. 333
نظریه تعادل شعاعی از واحد عمق ................................................................................... 333
مشکل غیرمستقیم ............................................................................................................ 33۱
جریان بدون پیچش........................................................................................................... 33۱
پیچش مبنی بر اعمال نیرو .............................................................................................. 333
توزیع چرخش کلی ......................................................................................................... 333
مسئله مستقیم )بی واسطه( .............................................................................................. 33۳
جریان تراکم پذیر در یک ردیف پره های ثابت................................................................... 3۳0
جریان توده ای خاص ثابت ............................................................................................. 3۳3
عملکرد خارج از طرح یک مرحله ای ............................................................................. 3۳۱
مرحله توربین گرداب آزاد ............................................................................................. 3۳6
روش دیسک کار انداز .................................................................................................... 3۳3
اثرات واکنشی ردیف پره .............................................................................................. 101
روش های هدفمند رایانه ای در حل مسئله جریان میانی................................................... 10۱
روش های میان جریانی.................................................................................................. 106
برای طراحی توربوماشین های محوری ....... 105 (CFD) کاربرد دینامیک های جریان محاسباتی
درون معادلات گشتاوری .............................................................................................. 103
جریان های ثانویه ......................................................................................................... 102
مسائل ........................................................................................................................... 103
فصل هفتم...................................................................................................................... 131
پمپ ها، پره ها و کمپرسورهای گریز از مرکز ............................................................. 131
مقدمه ........................................................................................................................... 131
چند تعریف ................................................................................................................... 13۱
تحلیل تئوری کمپرسور گریز از مرکز ........................................................................... 135
پوشش ورودی ............................................................................................................... 133
پیشران .......................................................................................................................... 133
حفاظت از روتالپی ......................................................................................................... 132
دیفیوزر .......................................................................................................................... 133
محدودیت های شتاب ورودی............................................................................................ 133
طراحی بهینه ی ورودی یک پمپ ..................................................................................... 13۳
طرح بهینه ورودی کمپرسور گریز از مرکز ..................................................................... 113
استفاده از پیچش قبلی در ورودی پروانه .......................................................................... 115
عامل لغزش ..................................................................................................................... 113
مقدمه .............................................................................................................................. 113
مفهوم گردابی نسبی ......................................................................................................... 112
رابطه های عامل لغزشی ................................................................................................. 113
محاسبه نسبت فشار ......................................................................................................... 1۱1
تأثیر پره های بادی برگشت اریبی .................................................................................... 1۱6
میزان جنبش باقیمانده در پره ............................................................................................ 1۱3
سیستم دیفیوزر ................................................................................................................. 163
دیفیوزر بدون پره ............................................................................................................. 163
دیفیوزر پره دار ............................................................................................................... 161
مسدود شدن در یک مرحله ی کمپرسور ............................................................................. 166
دیفیوزر ........................................................................................................................... 163
مسئله ها ......................................................................................................................... 162
فصل هشتم ...................................................................................................................... 150
توربین های گازی با جریان شعاعی ................................................................................. 150
مقدمه .............................................................................................................................. 150
انواع توربین شعاعی جریان داخلی .................................................................................. 153
توربین های سر آزاد ...................................................................................................... 153
۳0 درجه ای .............................................................................................. 151 IFR توربین
۳0 درجه ای ............................................................................ 15۱ IFR ترمودینامیک توربین
طرح اصلی روتور ....................................................................................................... 155
طرح نامی .................................................................................................................. 155
سرعت لوله اگزوز ................................................................................................... 153
بازده و کارایی طرح نامی............................................................................................... 153
معادله .......................................................................................................................... 153
رابطه عدد ماخ ............................................................................................................. 130
درجه ای .............................................................. 133 IFR ضرایب افت در توربین های 90
ضرایب اتلاف نازل ....................................................................................................... 133
بررسی بازدهی بهینه....................................................................................................... 131
معیارهای لازم برای حداقل تعداد پره ها ........................................................................ 135
موضوعات طرح مربوط به خروجی روتور ................................................................... 133
افت تصادفی ............................................................................................................... 121
اهمیت و نقش سرعت خاص ......................................................................................... 126
۳0 درجه ای .................................................... 122 IFR مجموعه مناسب ترین توربین های
تلفات پیچش و تخلیه : ................................................................................................... 130
۳0 درجه ای .................................................................. 130 IFR حدود نسبت فشار توربین
درجه ای ........................................................................ 133 IFR خنککردن توربین های 90
توربینی شعاعی برای تبدیل انرژی ................................................................................ 131
جزئیات توربین .............................................................................................................. 136
نمودارهای جریان .......................................................................................................... 136
عملکرد دقیق ................................................................................................................. 135
مسائل ........................................................................................................................... 135
فصل نهم ....................................................................................................................... 133
توربین های هیدرولیک .................................................................................................... 133
مقدمه ............................................................................................................................ 133
ویژگی های نیروگاه آبی ................................................................................................. 133
توربین های هیدرولیک .................................................................................................... 13۳
تاریخچه ی اولیه ی توربین های هیدرولیک ...................................................................... 13۳
روش جریان برای حداکثر بازدهی ................................................................................ 1۳0
ظرفیت توربین های بزرگ فرانسیس ............................................................................. 1۳3
توربین پلتون ............................................................................................................... 1۳1
طرح هیدرو الکتریک ساده ............................................................................................ 1۳6
کنترل سرعت توربین پلتون .............................................................................................. 1
پیشرفت هایی در ساخت پره ......................................................................................... ۱53
روش های کنترل )شروع، سوارکردن، توقف( ............................................................... ۱51
کنترل گام پره ............................................................................................................... ۱51
کنترل واماندگی ............................................................................................................ ۱5۱
کنترل شهپر ................................................................................................................. ۱5۱
اشکال نوک پره ............................................................................................................ ۱56
آزمون عملکرد ............................................................................................................. ۱56
کدهای پیش بینی عملکرد تئوری عنصر پره .................................................................. ۱56
تئوری دنباله مجاز، سطح هوا بری .............................................................................. ۱55
مقایسه تئوری با داده های آزمایشگاهی ........................................................................ ۱55
پیش بینی های نیروی اوج و پس از اوج نیرو ............................................................... ۱53
ملاحظات زیست محیطی ............................................................................................. ۱52
مزاحمت بصری .......................................................................................................... ۱52
ویژگی های آکوستیک ..................................................................................................... ۱5
"ن و القلم و ما سیطرون"
توربوماشینها بخشی از حوزه گسترده مهندسی مکانیک است که در کشور ما کمتر به آن توجه شده است. مباحث مرتبط در دروس مقاطع مختلف دانشگاهی مهندسی مکانیک سهم اندکی را به خود اختصاص دادهاند. که توسط پروفسور Elsevier کتاب حاضر ترجمهای است از یکی از کتابهای انتشارات بینالمللی بهرشتهی تحریر درآمده است. این کتاب جایگاه ویژهای در میان کتاب فنی دانشگاهی دارد و S.L.Dixon بهعقیدهی بسیاری از دست اندرکاران و استادان تاکنون کمتر مجموعه درسی توانسته است جایگزین آن گردد. این کتاب میتواند بهعنوان کتاب درسی یا کمک درسی برای دانشجویان در سطح کارشناسی و کارشناسیارشد و بهعنوان کتاب مرجع برای متخصصین فن تلقی شود.
مترجمین با خرسندی از دستیابی بهچنین مرجع ارزندهای و با هدف گسترش امکان دسترسی به این اطلاعات ذیقیمت، نهایت تلاش داشتهاند تا دقتی درخور این مرجع در ترجمهی متن آن مبذول دارند. با وجود این تلاشها، بهدلیل گستردگی کار، امید است خوانندگان دانشمند،کمبودها و نقایص فنی در شکل و محتوا را که با دیدگان دقیق خود در این کتاب مشاهده میفرمایند، با سرگروه مترجمین به آدرس مطرح نمایند تا در ویرایشهای بعدی اصلاح گردد. امید است که با این تلاش nekoufar@iauc.ac.ir گامی هرچند کوتاه در جهت اعتلای علمی کشور برداشته شود. شایان ذکر است که مراحل مختلف شکلگیری این کتاب از ابتدا تا انتها، بدون حمایتهای مادی و معنوی مدیریت محترم انتشارات بعثت میسر نبوده است و بنابراین مترجمین این فرصت را مغتنم شمرده و مراتب تشکر و قدردانی خود را از این بزرگواران ابراز میدارد. این کتاب و هر آنچه آموختهایم را تقدیم مینماییم بهساحت مقدس هشتمین فرزند دخت پیامبر اکرم)ص( که سعادت در برگرفتن او نصیب ایرانیان شد.
کورس نکوفر
فاطمه غلامی، علی عمرانیطالقانی
زمستان 1393
مقدمه ای بر چاپ پنجم
در چاپ های قبلی این کتاب توربوماشین های باز که تحت عنوان توربین های بادی، پره ای )ملخ هواپیما( و بادبزنی )پره های بدون پوشش( تقسیم شده بودند، عمداً کنار گذاشته شدند چون موانع مفهومی بسیاری برای تعریف دقیق از جریان توده ای که با پره ها تداخل پیدا می کند را بهدنبال دارد. با اینحال موضوع توربین های بادی سال ها در دانشگاه لیورپول بهعنوان قسمتی از رشته تبدیل انرژی مطالعه و تدریس شده و مشخص است که یک عنوان کاربردی است. در این کتاب موضوع جدیدی در مورد توربین های بادی اضافه شده است که به آیرودینامیک پایه در توربین های بادی می پردازد. همچنین توسط مثال های کاربردی متعدد، سطوح متنوعی از مشکلات مکانیک سیالات ماشین ها را به دانشجویان نشان می دهد.
همچنین قسمت های مهم معیار انتخاب پره و ساخت پره، روش های کنترل خروجی نیرو و سرعت چرخش و بررسی عملکرد آن مورد بحث قرار می گیرد. نوشتهی کوتاهی در مورد موضوعات جانبی و معمول که تدریجا حایز اهمیت می شوند و روی تهیهی توربین های بادی اثرگذار هستند، ارائه می شود. ماهیت باد مثل سرعت، تکرار، قانون نیرو و اثر بالا رفتن از نظر مکانی بهعلت گسترش کار و حجم کتاب توضیح داده نمی شود.
دنیا بهتدریج بهسوی استفاده از اشکال متنوع انرژی پیش میرود. تقاضای رو به رشد و مستمر نفت و کاهش غیرقابل انکار ذخایر نفتی، گرمشدن کرهی زمین بهعلت سطوح افزایشی دیاکسیدکربن و تهدید حاصل از افزایش سطح آب دریا، تنها تعدادی از مشکلات ذکرشده در این کتاب است. دولت ها، سازمان های علمی و مهندسی مشاغل کوچک و بزرگ سعی در تغییر زمینهی استفاده از انرژی با استفاده از منابع تبدیلشدنی و تطبیق نیرو با نیازهای گرمایشی را دارند.
تقریبا در هر کجا شواهدی از ساختار بزرگ قالب های توربین بادی و طرح های آن وجود دارد. بسیاری 30 تا 10 % از انرژی ، از کشورها )انگلستان، دانمارک، هلند، آلمان، هند و غیره( تلاش می کنند تا سال 1030 خود را با کمک منابع تجدیدشدنی تامین نمایند. بار اصلی این تبدیل بهنظر نیروی باد است. انتظار میرود که این فصل جدید به درک دانشجویان از علم و فن توربین های بادی کمک کند. موضوع انرژی تجدیدشدنی - بهچاپ چهارم این کتاب در قالب توربین های ولز اضافه شده است و فصل جدیدی بهنام توربین های بادی درآن قرار داده شده است. همچنین مطالبی افزون بر توربین های ولز اکنون بهنام توربین هایی با جریان شعاعی و جریان محوری، به آن پیوسته شده است. احتمالاً بعضی از این وسایل جدید، منبع بزرگ و قوی از انرژی تجدیدشدنی خواهد شد. بنابراین سرمایه گذاری کافی برای تحقیق لازم است. فرصت افزایش مطالب جدید، در مورد مکانیک سیالات و توربین های ماشینی فراهم شده است، بنابراین اصطلاحات متعددی در چاپ چهارم خصوصاً در مورد مکش پره ها و کمپرسورهای مرکزی ارائه شده است.
قدردانی
نویسنده مدیون کار تعداد زیادی از افراد و سازمان هایی است که کمککرده و از این کار پشتیبانی نموده اند. که عبارتند از: پرفسور دبلیو – ای، بنیان گذار دانشکده کویین مری دانشگاه لندن و بنیان گذار دانشگاه لیورپول بهخاطر تشویق ایده چاپ چهارم این کتاب و تهیهی مقالهها و پیشنهادها و بعضی از مواردی که در کتاب قرار داده شده است.
پروفسور اف‒ ای لیمن، از دانشگاه سیراکوس نیویورک و پروفسور جی‒ مور از موسسه پلی تکنیک ویرجینا و دانشگاه ایالت ویرجینا بهخاطر ارتباطات مفیدشان و ایده ها و سوالهای حلاجی شده، پایستگی و بقا روتالپی در توربوماشینها. از دکتر وای –ار می هیو بهخاطر ارائهی موارد زیادی از ابعاد و آخرین بیانیه تقدیر شد. تشکر از سازمان های ذیل بهخاطر موارد کاربردی کتاب، ارائهی اطلاعات SI از اجرای واحدهای و در یک کلام، اطلاعات تاریخی مفید: شوالزرهیدرو از هلند، رولز رویز از دربی انگلستان، شرکت وین هیدرو، پنسیلوانیا و انرژی کالز از نروژ و در نهایت از همسرم که در این امر کاملاً صبور بودند و مرا در چاپ جدید تا مرحلهی آمادهسازی حمایت کردند، متشکرم.
