Unit 4 of ME 3003 (Mechanical/Automobile Engineering) in Hindi

 यहां पर Fluid Mechanics & Hydraulic Machinery के Unit 4: Hydraulic Turbines के विषय में हिंदी में विस्तृत नोट्स दिए गए हैं। इस यूनिट में हाइड्रोलिक टर्बाइनों के प्रकार, उनके निर्माण और कार्य सिद्धांत, पेल्टन व्हील, फ्रांसिस और कपलान टर्बाइनों का विवरण, ड्राफ्ट ट्यूब्स, और कैविटेशन के बारे में जानकारी दी गई है।

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4. Hydraulic Turbines (हाइड्रोलिक टर्बाइने)

हाइड्रोलिक टर्बाइन एक प्रकार का यांत्रिक उपकरण है जो पानी की ऊर्जा का उपयोग करके काम करता है। इसे जल विद्युत संयंत्रों में विद्युत उत्पादन के लिए प्रयोग किया जाता है।

4.1 Layout of Hydroelectric Power Plant (Basic Concept)

हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर प्लांट का डिज़ाइन और कार्य प्रणाली निम्नलिखित मुख्य घटकों पर आधारित है:

1. Water Reservoir (जलाशय): जलाशय में पानी जमा होता है जिसे टर्बाइन के माध्यम से प्रवाहित किया जाता है।
2. Penstock (पेंस्टॉक): यह पाइपलाइन होती है जो जलाशय से पानी को टर्बाइन तक लाती है।
3. Hydraulic Turbine (हाइड्रोलिक टर्बाइन): यह पानी के प्रवाह से ऊर्जा प्राप्त करता है और उसे यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
4. Generator (जनरेटर): टर्बाइन द्वारा उत्पन्न यांत्रिक ऊर्जा को जनरेटर विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
5. Draft Tube (ड्राफ्ट ट्यूब): यह टर्बाइन के बाद पानी को छोड़ने के लिए होती है और उसमें दबाव में कमी होती है, जिससे पानी का प्रवाह सुचारु रहता है।
6. Outflow (आउटफ्लो): पानी टर्बाइन से निकलकर वापस नदी में बहता है।

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4.2 Classification and Selection of Hydraulic Turbines (हाइड्रोलिक टर्बाइनों का वर्गीकरण और चयन)

हाइड्रोलिक टर्बाइन को उनके निर्माण, कार्य सिद्धांत और उपयोग के आधार पर विभिन्न प्रकारों में वर्गीकृत किया जाता है। प्रमुख प्रकार हैं:

1. Impulse Turbines (इम्पल्स टर्बाइन):
   • इन टर्बाइनों में पानी को उच्च वेग पर नोजल के माध्यम से ब्लेड पर गिराया जाता है।
   • उदाहरण: Pelton Wheel।
   • इनका उपयोग उच्च हेड (ऊँचाई) वाले क्षेत्रों में किया जाता है।
2. Reaction Turbines (रिएक्शन टर्बाइन):
   • इनमें पानी को नोजल के माध्यम से नहीं गिराया जाता, बल्कि इन टर्बाइनों के ब्लेड पर पानी का दबाव काम करता है।
   • उदाहरण: Francis and Kaplan turbines।
   • इनका उपयोग मध्यम और निम्न हेड वाले क्षेत्रों में किया जाता है।

4.3 Construction and Working Principle of Pelton Wheel (पेल्टन व्हील का निर्माण और कार्य सिद्धांत)

• Pelton Wheel एक Impulse Turbine है, जो उच्च हेड वाले क्षेत्रों में प्रयोग होती है। यह टर्बाइन विशेष रूप से तब उपयोगी होती है जब पानी का प्रवाह कम हो, लेकिन हेड अधिक हो।

निर्माण:

• पेल्टन व्हील में एक पानी की नोजल से पानी को तेज़ गति से जेट के रूप में टर्बाइन के ब्लेड्स (बuckets) पर फेंका जाता है।
• ब्लेड्स को buckets कहते हैं जो जेट के प्रभाव से टकराकर घूमते हैं।

कार्य सिद्धांत:

• जेट का पानी ब्लेड्स (बकेट्स) पर गिरता है और उसकी गति ऊर्जा को टर्बाइन के घूमने में बदलता है।
• पेल्टन व्हील में पानी का कोई दबाव परिवर्तन नहीं होता, सिर्फ वेग परिवर्तन होता है।

पेल्टन व्हील का कार्य:

$$W = \dot{m} \cdot (v_1 - v_2)$$

जहां:

• $W$ = कार्य
• $\dot{m}$ = द्रव्यमान प्रवाह दर
• $v_1$ और $v_2$ = इनलेट और आउटलेट पानी के वेग

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4.4 Francis and Kaplan Turbines (फ्रांसिस और कपलान टर्बाइन)

1. Francis Turbine:
   • Reaction Turbine है और मध्यम हेड वाले क्षेत्रों में उपयोग की जाती है।
   • पानी का प्रवाह इस टर्बाइन के अंदर घूमते हुए ब्लेड्स (runner blades) से होकर गुजरता है।
   • इसमें पानी के दबाव और गति दोनों का योगदान होता है।

कार्य सिद्धांत:

• पानी ब्लेड्स पर दबाव के रूप में कार्य करता है और उसे घूमने के लिए प्रेरित करता है।
• Efficiency का पता ब्लेड्स की डिजाइन और पानी के प्रवाह से संबंधित होता है।

2. Kaplan Turbine:
   • Reaction Turbine है, जो निम्न हेड वाले क्षेत्रों में अधिक प्रभावी होती है।
   • इसमें ब्लेड्स को समायोजित किया जा सकता है, ताकि टर्बाइन में पानी के प्रवाह के साथ सबसे अच्छा कार्य किया जा सके।
   • यह टर्बाइन खासतौर पर large scale hydroelectric plants में उपयोग की जाती है।

कार्य सिद्धांत:

• पानी का प्रवाह ब्लेड्स से होकर गुजरता है, और उनका कोण और डिज़ाइन इसे अधिक प्रभावी बनाता है।

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4.5 Draft Tubes – Types and Construction (ड्राफ्ट ट्यूब्स – प्रकार और निर्माण)

• Draft Tube वह संरचना है जो टर्बाइन के बाद स्थित होती है और पानी को धीरे-धीरे बहने के लिए मार्गदर्शन करती है। इससे पानी का दबाव कम हो जाता है और टर्बाइन की कार्यकुशलता बढ़ती है।

प्रकार:

1. Simple Draft Tube (सरल ड्राफ्ट ट्यूब):
   • यह टर्बाइन के बाद पानी को बाहर निकालने का कार्य करती है।
2. Elbow Draft Tube (एल्बो ड्राफ्ट ट्यूब):
   • इसमें पानी का प्रवाह एक कोणीय मोड़ से गुजरता है।
3. Straight Draft Tube (स्ट्रेट ड्राफ्ट ट्यूब):
   • यह एक सीधी संरचना होती है जो पानी को बाहर की ओर खींचने का कार्य करती है।

निर्माण:

• ड्राफ्ट ट्यूब का निर्माण स्टील, कंक्रीट और अन्य मजबूत सामग्री से किया जाता है ताकि वह पानी के दबाव को सह सके।

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4.6 Concept of Cavitation in Turbines (टर्बाइनों में कैविटेशन का सिद्धांत)

• Cavitation तब होती है जब पानी का दबाव टर्बाइन ब्लेड्स पर इतना कम हो जाता है कि पानी बुब्बुलों (bubbles) के रूप में उबालने लगता है और फिर वे फटकर ब्लेड्स के संपर्क में आते हैं।
• यह समस्या टर्बाइन की दक्षता और जीवनकाल को प्रभावित करती है क्योंकि यह ब्लेड्स के साथ कटाव (erosion) उत्पन्न करती है।

कैविटेशन के कारण:

1. पानी का दबाव अधिक घट जाना।
2. अत्यधिक गति वाले क्षेत्र में पानी का तापमान बढ़ना।
3. टर्बाइन डिज़ाइन में कोई त्रुटि होना।

कैविटेशन से बचाव:

1. टर्बाइन की डिज़ाइन में सुधार।
2. दबाव को नियंत्रित करना।

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4.7 Simple Problem Related to Calculation of Work Done, Power, Efficiency of Turbines (टर्बाइनों के कार्य, शक्ति और दक्षता की गणना से संबंधित सरल समस्याएँ)

समस्या 1: एक फ्रांसिस टर्बाइन में 12 क्यूबिक मीटर प्रति सेकंड (m³/s) पानी का प्रवाह है। पानी का हेड 30 मीटर है। टर्बाइन की दक्षता 80% है। तो टर्बाइन द्वारा उत्पन्न शक्ति का अनुमान लगाएँ।

समाधान:

• Flow Rate (Q) = 12 m³/s
• Head (H) = 30 m
• Efficiency (η) = 80% = 0.8
• Gravitational Constant (g) = 9.81 m/s²

शक्ति (Power) का सूत्र:

$$P = \eta \cdot \rho \cdot g \cdot Q \cdot H$$

जहाँ:

• $\rho$ = पानी का घनत्व (1000 kg/m³)

$$P = 0.8 \cdot 1000 \cdot 9.81 \cdot 12 \cdot 30$$ $$P = 0.8 \cdot 1000 \cdot 9.81 \cdot 360$$ $$P = 2822400 \, \text{Watts} = 2822.4 \, \text{kW}$$

इसलिए, टर्बाइन द्वारा उत्पन्न शक्ति $P = 2822.4 \, \text{kW}$ है।

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4.8 Unit Quantities (यूनिट मात्राएँ)

• Unit Power = 1 kW = 1 kJ/s
• Unit Head = 1 meter
• Unit Flow Rate = 1 m³/s

ये यूनिट मात्राएँ टर्बाइन की क्षमता और दक्षता की गणना करने में सहायक होती हैं।

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सारांश:

1. Hydraulic Turbines जल ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदलने के लिए उपयोग की जाती हैं, जैसे Pelton Wheel, Francis, और Kaplan Turbines।
2. Draft Tubes टर्बाइन के बाद स्थित होती हैं और पानी के दबाव को कम करने में मदद करती हैं।
3. Cavitation टर्बाइनों में दबाव में कमी के कारण उत्पन्न होती है, जो टर्बाइन की कार्यकुशलता को प्रभावित करती है।
4. सांख्यिकीय समस्याएँ यह समझने में मदद करती हैं कि कैसे हम टर्बाइन के कार्य, शक्ति और दक्षता का अनुमान लगा सकते हैं।