книги из ГПНТБ / Соколов Ю.Н. Основы единой теории лопастных машин (насосов, вентиляторов, воздуходувок) [учеб. пособие для студентов втузов]

модинамической точки зрения это надо понимать как пре­ небрежение сжимаемостью рабочего тела, не ощутимой не только в применении к жидкостям, но и к газам при восьма малых повышениях давления.

На рис. 1—7 это пояснено изображением термодина­ мического цикла компрессора в р— v диаграмме. Когда Ар по сравнению с начальным давлением р\ незначитель­

*1

и

Ц= const

Рис.

ек как площади цикла 1—2—3—4 будет при этом определяться площадью криволинейного треугольника 1—2—2'. При Д / ? ^ 200 мм в. ст., т. е. в низконапорных и в средненапорных вентиляторах', такая ошибка не вы­ ходит за пределы точности обычных технических вычисле­ ний (1—2%).

обеспечить возможность неучета сжимаемости газа, здесь приходится, как было отмечено в § I—2, вести рас­

ошибка в вычислении площади, определяющей е к, будет составлять лишь площадь криволинейного сегмента

Г Л А В А II

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛОПАСТНЫХ МАШИН

Передача .энергии от рабочего колеса лопастной ма­ шины к потоку жидкости или газа осуществляется в процессе обтекания этим потоком лопастей рабочего колеса, за счет возникающих при этом сил взаимодейст­ вия. Основной задачей теории лопастных машин следует поэтому считать определение величины переданной рабо­ чим колесом машины энергии в зависимости от гидроди­ намики потока жидкости или газа, протекающего по межлопастным каналам этого колеса.

Рассматривая процессы в лопастных насосах, венти­ ляторах и в отдельных ступенях воздуходувных машин при небольших повышениях давления, сжимаемостью ра­ бочего тела в соответствии с изложенным в главе I будем пренебрегать. Плотность жидкости или газа будем по­ этому считать неизменной на всем протяжении потока, проходящего через рабочее колесо машины и непосредст­ венно связанные с ним неподвижные проточные каналы.

§ II—1. Изменение скоростей и давлений в проточных каналах лопастной машины

Прежде чем приступить к рассмотрению явлений, не­ посредственно определяющих передачу энергии на рабо­ чем колесе лопастной машины, разберемся с изменением скоростей и давлений во всех проточных каналах маши­ ны, не ставя пока задачей количественную оценку этих изменений.

Такими проточными каналами лопастных машин мо­ гут быть:

а) в о д н о с т у п е н ч а т ы х ц е н т р о б е ж н ы х м а- ш и н а х — в насосах, вентиляторах-, воздуходувках (рис. О—1)—их всасывающий патрубок, подводящий поток к центральной части рабочего колеса, межлопаточпые каналы колеса п спиральная камера, переходя­

правляющий аппарат (НА) для предварительной закрут­

лопатками, раскручивающими закрученный колесом по­

В некоторых типах центробежных насосов и воздухо­ дувок и в центробежных компрессорах непосредственно за центробежным колесом размещается еще так называе­ мый «направляющий» аппарат или диффузор в форме двух дисков с лопатками между ними или без них. В мно­ гоступенчатых центробежных машинах имеются еще v обратные каналы, подводящие поток к центральной части рабочего колеса следующей ступени, после выхода его с предыдущего или с расположенного за ним «направ­ ляющего» аппарата.

Обобщая и систематизируя все рассмотренные здесь случаи, можно установить следующие т и п и ч и ы е э л е ­ м е н т ы п р о т о ч н о й ч а с т и л ю б о й л о п а с т н о й м а ш и н ы.

патрубок машины, .подводится к ее рабочему колесу. Для осевых машин в (ПК) входит и направляющий аппарат (НА) перед рабочим колесом, если этот аппарат суще­ ствует.

2. Р а б о ч е е к о л е с о (К) центробежного или осево­ го типа, по межлопаточным каналам которого протекает поток, воспринимая энергию за счет силового взаимодей­ ствия с перемещающимися при вращении колеса его лопастями.

3. О т в о д я щ и и к а н а л (ОК) — та часть проточных каналов за рабочим колесом машины, в которых не на­ блюдается заметного изменения средней скорости потока. В центробежных машинах сюда -следует относить спи­ ральную камеру, если она сконструирована так, что не создает заметных уменьшении скорости, пли «зазор» между рабочим колесом и дисковым «направляющим» аппаратом. В осевых машинах за ОК следует считать проточный канал между рабочим колесом и спрямляю­ щим аппаратом, «зазор» между ними.

4. Д и ф ф у з о р (Д), которым будем считать ту часть проточных каналов за рабочим колесом машины, в ко­ торой средняя скорость потока заметно уменьшается,- т. е. осуществляется диффузорный процесс превращения ки­ нетической энергии потока в потенциальную. Это целе­ сообразно обеспечивать в большинстве лопастных машин в связи с тем, что в потоке жидкости или газа на выходе с рабочего колеса создаются, как правило, весьма боль­ шие скорости, сохранять которые и в системе нагнета­ тельных трубопроводов за машиной не следует. В то же время, в большинстве практически встречающихся слу­ чаев желательно, чтобы машина создавала по возможно­ сти большое повышение давления, что и обеспечивает диффузор, развивая добавочное повышение давления в потоке за счет снижения его скорости.

Простейшим диффузором служит расширяющаяся часть нагнетательного патрубка, в которую обычно плав­ но переходит спиральная камера одноступенчатых цент­ робежных машин (рис. О—1). В некоторых типах центро­ бежных машин диффузорный процесс обеспечивается в дисковом «направляющем» аппарате за колесом с лопат­ ками или без них, а в большинстве современных центро­ бежных насосов, так называемого спирального типа, диффузором служит сама спиральная камера, сконструи­ рованная так, что в ней обеспечивается постепенное уменьшение средних скоростей потока, а не только соби­ рание в единый поток жидкости, вытекающей из отдель­ ных межлопаточных каналов колеса. В осевых машинах диффузором является спрямляющий аппарат (СА) за рабочим колесом (рис. II—1), скорость в котором умень­ шается за счет снижения ее окружной составляющей (раскрутка потока), и последующий кольцевой канал,

сечения которого увеличиваются за счет уменьшения по­ перечных размеров обтекателя. Хороший диффузорный

чего колеса 1 — 1, выхода из них 2—2, входа в диффузор 3—3 и выхода из него и из машины в целом К—К. Меж­ ду этими сечениями располагаются перечисленные выше

будем индексировать соответствующими буквами и циф­ рами: н, 1, 2, 3, к.

На рис. II—2 представлен примерный график измене­ ния скоростей и давлений в проточных каналах лопастной машины. Жидкость или газ входит во всасывающий пат­ рубок машины (сечение Н—Н) с некоторой скоростью с н при давлении р „. В зависимости от изменения проход­ ных сечений подводящего канала скорость и давление в нем будут изменяться в соответствии с законом Бернулли, т. е. при увеличении скорости потока давление снижается, и наоборот. Чаще всего имеет место первый случай, что и показано на рис. II—2.

При входе на рабочее колесо (сечение Г—1) созда­ ется некоторая скорость с\, определяемая объемной про­ изводительностью машины Q и площадью входного се­ чения колеса Fi. Здесь имеется и соответствующее дав­ ление р\.

Переход от теоретической энергии к полезной п об­ ратно обеспечивается с помощью понятия о г и д р а в - л и ч е с к о м к. п. д. машины.

Так как гидравлические потери в машине отражаются на снижении давлений в проточных каналах, а средние скорости в них как в действительном, так и в теоретиче­

переданную в машине, следует, очевидно, определять суммой

ет = E*LZb + c l ~ c l дж/кг.

Р2

Учитывая, что в теоретическом случае потерь энергии в проточных каналах машины не существует, но в них может осуществляться процесс превращения кинетиче­ ской энергии в потенциальную или ему обратный, долж­ но выполняться равенство полных теоретических энергий, переданных потоку машиной в целом и только лишь на се рабочем колесе, т. е.

где, помимо введенных прежде обозначений, Р2Т —дав­ ление на выходе с рабочего колеса в теоретическом случае.

Таким образом,

Р2

что и служит основой для определения теоретической энергии лопастной машины при анализе условий ее ра­ боты. Теоретическую энергию машины здесь определяют по параметрам на входе и. выходе с к о л е с а , вне зави­ симости от того, какое изменение претерпевают эти пара­ метры в остальных проточных каналах машины. .

§ II—3. Общее понятие о струйной и вихревой теориях

лопастных машин

Уравнение (II—6) дает лишь принципиальное опреде­ ление теоретической энергии, передаваемой в лопастной машине, в зависимости от изменения скоростей н давле­ ний в потоке, проходящем через рабочее колесо. Теория лопастных машин обеспечивает количественную оценку топ же величины в зависимости от кинематических фак­ торов, определяемых гндроаэродннампкоп потока, проте­ кающего по межлопаточным каналам этого колеса и вступающего в силовое взаимодействие с его лопастями.

Такая задача впервые была теоретически обоснована н принципиально решена около 200 лет тому назад гени­ альным ученым того иременп Л. Эйлером в период его работы в Российской Академии наук. Обоснованную Эйлером теорию турбомашин (не только лопастных ма­ шин, передающих энергию потоку, но и турбинных двиіателеп) теперь называют с т р у й н о її т е о р и е й , кото­ рая до начала текущего столетия была, по существу, единственной теорией машин этой группы и лишь разви­ валась и уточнялась рядом ученых-теоретиков и инже­ неров-конструкторов. Струйная теория названа так пото­ му, что в ее основе заложено представление о движении потока, по межлопаточным каналам рабочего колеса турбомашины в виде отдельных струек, кинематика каждой из которых предполагалась тождественной. Энергетиче­ ский эффект прохождения потока через рабочее колесо турбомашины, т. е. обмен энергией между потоком и ко­ лесом, здесь оценивается по итоговым изменениям кине­ матики от входа иа колесо до выхода с пего — так сказать в «интегральном» порядке и вне зависимости от того, каков механизм передачи энергии и какими гпдроаэродниамическими явлениями он определяется.

Последнее предопределяет некоторый недостаток этой теории, приводивший в свое время даже к необъяс­ нимым противоречиям, вскрытым и устраненным после­ дователями струйной теории путем введения поправок иа неравномерность поля скоростей в межлопаточном кана­ л е — поправки «на циркуляцию» (см.ниже§11—7). Кроме того, струйная теория, базируясь на принципиально пра­ вильных предпосылках, но не вскрывая, по существу, ус-