Лекция 7. Тема 26. Общая теория лопаточных машин

Тема 26. Общая теория лопаточных машин

Состав насосной подачи топлива. Основные параметры лопаточных машин и кинематика потока в решетках. Основное уравнение лопаточных машин. Насосный и турбинный режимы работы лопаточных машин. Уравнение энергии относительного движения. Работа и степень реактивности колеса.

Классификация лопаточных машин

В технике под терминами «лопаточная машина», «лопастная машина» или «турбомашина» понимают машину, в которой происхо­дит преобразование внешней механической энергии (энергии на валу) в энергию протекающей жидкости (газа) или, наоборот, - преобра­зование энергии жидкости (газа) во внешнюю механическую энергию, совершаемое при обтекании потоком жидкости вращающейся лопа­точной решетки (лопаточного венца). Вращающаяся лопаточная решетка является рабочим органом машины, откуда и происходит название «лопаточная машина». Лопатки укреплены на диске колеса. Диск с лопатками называется рабочим колесом.

Окончательно определение лопаточной машины можно сформу­лировать так: лопаточная машина — это машина, в которой происходит изменение энергии потока жидкости или газа в процессе обте­кания лопаток вращающегося рабочего ко­леса.

Колесо вращается с угловой скоростью , следовательно, любая точка колеса движется с окружной скоростью , где - радиус выбранной точки.

По принципу действия: Один из наиболее существенных признаков- потребляет ли машина мощность или выдает. Другими словами, является ли она машиной- исполнителем или машиной- двигателем? По этому признаку лопаточные машины можно разделить следующим об­разом:

Лопаточные машины-двигатели: Лопаточные машины-исполнители:

гидравлические турбины насосы

паровые турбины компрессоры

газовые турбины вентиляторы

турбодетандеры воздуходувки

ветряные двигатели воздушные винты

водяные напорные колеса лопаточные гидротормоза

Укажем, что в настоящее время для гидросистем создаются обра­тимые агрегаты, которые могут работать и в режиме насоса, и в ре­жиме турбины, т. е. использоваться и как машина- исполнитель, и как машина- двигатель. К группе комбинированных машин можно отнести гидромуфты или турбомуфты, которые включают в себя насос и турбину. Воздушные и гребные винты относятся к лопаточным машинам - движителям, так как они используют подведенную к ним мощность для отбрасывания воздуха или воды и тем самым создают тягу.

Для лопаточной машины характерно обтекание движущейся жидкостью лопаток колеса без изменения объема внутренних по­лостей машины. Гидравлические объемные машины, в которых жидкость вытесняется лопатками из замкнутого объема (т. е. раз­личные коловратные насосы с лопатками), нельзя считать лопаточ­ными машинами, хотя конструктивно они могут иметь рабочее колесо и лопатки. Различного рода водоналивные колеса относятся к особой группе гидравлических машин, которые также не будем называть лопаточными машинами. Эти колеса приводятся в движение только под действием силы тяжести воды.

По направлению течения рабочего тела: радиальные, осевые, диагональные.

В радиальных лопаточных машинах течение рабочего колеса происходит перпендикулярно оси вращения. Если рабочее тело движется от центра к периферии, то такие лопаточные машины называются центробежными, если наоборот, то центростремительными. Поверхности тока близки к плоскостям, перпендикулярны оси вращения.

Здесь рабочее колесо изображено меридиональным сечением, т.е. сечением, проходящим через ось вращения.

В осевых лопаточных машинах течение рабочего тела происходит параллельно оси вращения. Линии тока образуют поверхности вращения с образующей параллельно оси (цилиндры).

Диагональные лопаточные машины являются промежуточными между радиальными и осевыми. Линии тока образуют поверхности вращения с образующей, наклоненной к оси под произвольным углом.

Далее будет показано, что выбор конкретной схемы лопаточной машины определяется соотношением частоты вращения, объемного расхода и удельной работы.

По числу ступеней: Ступень лопаточной машины—это рабочее колесо с подводя­щими и отводящими устройствами. Следовательно, на предыдущих рисунках были изображены одноступенчатые лопаточные машины. В тех­нике часто применяют многоступенчатые лопаточные машины.

Многоступенчатые машины могут включать в себя как осевые, так и радиальные ступени в различных комбинациях. Число ступеней лопаточной машины определяется числом рабочих колес. Так, на рис. 2.5 изображена схема осевой двухступенчатой лопаточной машины; на рис. 2.6- схема двухступенчатой лопаточной машины, у которой первая ступень осевая, а вторая - радиальная.

Рис.2.5 Схема осевой двухступенчатой лопаточной машины: 1,3,5- напрвляющие аппараты, 2,4- рабочие колеса.

Рис. 2.6 Схема комбинированной двухступенчатой

лопаточной машины:

1,3- напрвляющие аппараты,

2,4- рабочие колеса.

Большое число ступеней (которое может измеряться десятками) имеют осевые компрессоры и паровые турбины стационарных уста­новок. В системах питания ЖРД число ступеней лопаточных машин обычно не превышает трех.

Перечислим основные, наиболее общие, свойства лопаточных машин:

1. Непрерывность действия. Лопаточные машины - машины непрерывного действия, они пропускают в единицу времени большое количество рабочего тела и поэтому обладают хорошими удельными показателями - относительной массой, удельным объемом и т. п.

2. Высокие скорости рабочего органа. Рабочие колеса лопаточ­ных машин могут иметь большие окружные скорости. Чем больше будет окружная скорость, тем больше будет работа, приходящаяся на единицу массы рабочего тела, как это следует из уравнения Эйлера. Предел увеличения окружных скоростей ста­вит прочность материала рабочего колеса, так как при больших ско­ростях на рабочее колесо действуют большие инерционные усилия.

3. Возможность достижения в одном агрегате практически не­ограниченных мощностей и расходов рабочего тела. Так, в насто­ящее время турбина является двигателем, способным развивать наибольшие мощности в течение продолжительного времени. Мощ­ность отдельных паровых турбин и гидротурбин доходит до 1000 МВт. В то же время в приборостроении применяются турбины, мощность которых измеряется несколькими ваттами.

4. Возможность достижения высокого КПД. КПД, т. е. отноше­ние полезной мощности к располагаемой, у современных лопаточных машин может достигать 0,9. Многоступенчатые лопаточные машины авиационных газотурбинных двигателей — турбины и осевые компрессоры — имеют КПД, в отдельных случаях превосходя­щие 0,9.

5. Уравновешенность. Принципиально возможно обеспечить работу лопаточной машины без действия неуравновешенных сил инерции. Неуравновешенные силы инерции в лопаточных машинах могут появляться только в результате погрешностей при изготовле­нии. Практически они сводятся к допустимому минимуму динами­ческой балансировкой роторов машин. В ТНА ЖРД ротор можно сбалансировать с погрешностью не более 10^-4 Нм. Уравновешен­ность машины является ценным эксплуатационным свойством, поз­воляющим резко уменьшить нагрузки и получить более легкую конструкцию. В этом заключается существенное преимущество лопаточных машин перед поршневыми, имеющими кривошипно-ползунный механизм, который всегда неуравновешен.

6. Высокая надежность и простота обслуживания.

7. Удобство соединения с электродвигателями, генераторами и друг с другом. Лопаточные машины как машины вращательного движения легко соединяются с электромашинами. Кроме того, привод лопаточной машины, потребляющей мощность (компрессора, насоса) от лопаточной машины-двигателя (турбины) легко осуще­ствить непосредственным их объединением. Такие агрегаты широко распространены в технике.

Дата добавления: 2014-01-20