книги из ГПНТБ / Пфлейдерер, Карл. Лопаточные машины для жидкостей и газов водяные насосы, вентиляторы, турбовоздуходувки, турбокомпрессоры

Вследствие уменьшенной реакции участка лопатки, примыкаю­ щего к втулке, применяются также направляющие аппараты [275], которые перекрывают только участок колеса у втулки.

24'

ГЛАВА IX

НАПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

70. НАЗНАЧЕНИЕ НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА У ВСЕХ НАСОСОВ

Направляющий аппарат должен превратить в давление энергию скорости позади рабочего колеса. Если неравномерности на выходе

то у радиального колеса создается однородный поток с вихреисточником. Последний при постоянной ширине радиальной полости вра­ щения перемещается по логарифмическим спиралям с выходным углом колеса а3. Если бы течение выранивалось уже на окружности колеса, то там создалась бы скорость

с3т определяется из равенства

при этом незначительным влиянием потерь в зазоре пренебрегаем. В уравнение (9. 3) вводят для V тот же расход, что и при расчете рабочего колеса, потому что потери в сальниковых уплотнениях

ина общую компенсацию осевого давления сохраняются, а также еще

ипотому, что трудно учесть некоторую ненадежность расчета, напри­ мер, влияние сужения входа направляющего аппарата.

Скорость с3 должна быть превращена в давление, по возможности, без потерь. Как правило, при превращении выходной скорости в дав­ ление необходимо учесть, что составляющая скорости сзт большей частью очень мала по сравнению со скоростью с3и (сравниваются квадраты их значений), так что ее превращение в давление почти не играет роли. Следовательно, речь идет об использовании окружной

скорости с3а.

372

Замедление может происходить либо в расположенном по окруж­ ности венце из неподвижных направляющих лопаток, т. е. в лопаточ­ ном направляющем аппарате, или в безлопаточном кольцевом про­

сделанного увеличения проходного сечения, потому что потери Карно, о которых только и может идти речь,

должны вычисляться по меридиональной скорости и поэтому очень малы.

71. ЛОПАТОЧНЫЙ НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ

Зазор между окружностью рабочего колеса и направляющими лопатками выполняется для водяных и газовых машин различным. У центробежных водяных насосов этот зазор делают возможно малым, лишь бы посторонние частицы могли пройти без повреждения лопа­ ток. Этот зазор неблагоприятно влияет в основном на к. п. д., хотя он и представляет зону для выравнивания неравномерности поля скоростей, создаваемого рабочими лопатками, потому что путь трения удлиняется как раз в местах наибольшей скорости. Это удлинение становится тем более заметным, чем меньше угол наклона а3 траектории потока. У водяных насосов с лопаточным направляю­ щим аппаратом почти всегда делается малый угол а3. Поэтому сле­ дует это расстояние уменьшить до целесообразного размера, обес­ печивающего надежность эксплуатации. Эти выводы подтверждаются опытом.

У центробежных компрессоров, у которых направляющие лопатки применяются реже, положение создается несколько иное; с одной стороны, в большинстве случае углы наклона а3 больше (не менее 15°), с другой стороны, малые расстояния создают неприятный сви­ стящий звук, так как рабочие лопатки, проходя мимо кромок направ­ ляющих лопаток, создают большие колебания давления с очень

малые размеры компрессора, или шум компрессора не играет роли, принимаются значительно меньшие расстояния.

373

При отсутствии трения и при параллельных боковых стенках абсолютные траектории после выхода из рабочего колеса образуют, согласно разделу 11, п. б, логарифмические спирали, у которых угол наклона а3 относительно окружности определяется по формуле

и обусловленного этим коэффициента сужения -—tl~, а кроме того,

Ч— С4

и вследствие сужения струй происходит рост меридиональной ско­ рости позади входных кромок направляющих лопаток, что необхо­ димо учесть соответствующим увеличением входного угла а4 лопатки. Последний определяется при малом промежуточном пространстве между рабочими и направляющими лопатками по формуле

ивыходного угла 2 рабочих лопаток1:

1Возникает вопрос, почему не был введен такой же коэффициент сужения для рабочих лопаток? Во-первых, для рабочего колеса поток на входе является более упорядоченным. Далее, при неподвижных направляющих лопатках существует, как

У рабочего колеса почти совсем отсутствуют эти обратные потоки, потому что погра­ ничный слой подвергается там более высоким центробежным силам, чем основной поток, при этом часто действительная всасывающая способность больше, чем это соот­ ветствует потоку при безударном входе (вследствие повышения скорости, обусловлен­ ной перепадом давления на лопатке); к. п. д. при преобразовании скорости в давле­ ние также лучше у рабочего, чем у направляющего колеса. Несмотря на все вышеска­ занное, у тихоходных центробежных насосов все же в ряде случаев оказалось целе­ сообразным сделать известную накидку на величину входного угла,

374

Коэффициентом сужения —*— сначала задаются так же, как

‘4 — °4

и при расчете рабочих лопаток. Последующая проверка, однако, имеет меньшее значение, чем при расчете рабочего колеса, принимая во внимание более широкий диапазон допустимых значений.

Можно обойтись без предварительного назначения коэффициента

Фиг. 209. Линия одинаковых числовых значений у для режима безударного входа (определена из испытаний насоса при расходе, приблизительно равном 14 л/сек)'.

1 — линия при обычном числе лопаток.

Тогда получается квадратное уравнение для tg а4, из которого следует

(9. 56)

Отрицательный член под корнем и в знаменателе можно, как пра­

до достижения входного сечения ВС (фиг. 210), то при параллельных боковых стенках 1 очертание входа АС направляющей лопатки должно быть выполнено в виде логарифмической спирали; уравне­

1 При произвольных очертаниях боковых стенок форма направляющих лопаток, не оказывающих воздействия на поток, совпадает с формой обечайки спирального кожуха, рассмотренной в следующем разделе.

375

ние этой логарифмической спирали имеет вид (см. также уравнение (9. 22) в следующем разделе 73, согласно которому а = а4)

180 In

=____ Ч.

‘" tg »4

или при замене натурального логарифма на десятичный получаем

Если в формуле (9. 7) определить конечную точку С входа или соседнюю точку (см. фиг. 210), то можно [278] с хорошим приближе­ нием заменить спираль на окружность с радиусом

если гс означает радиус второй точки.

Фиг. 210. Входной участок АС лопатки направляющего аппарата. Логарифмическая спираль.

Можно также определить точные координаты промежуточной точки F, если взять среднегеометрическое значение из г4, гс, т. е.

rf = Yrirc и среднеарифметическое значений углов, т. е.

= 4-(° + ®с) =-у ®с-

376

Повторным применением этого способа можно получить любое количество точек. Если входной участок очерчен в виде логарифми­ ческой спирали, то образуется вход шириной а4 согласно уравнению

Необходимо обратить внимание на обеспечение практического осуществления этой ширины входа а4. Правильная ширина входа а4 имеет большее значение для достижения хорошего к. п. д., чем вход­ ной угол а4, как это показали эксперименты на поворотных направ­ ляющих лопатках различных очертаний. Поэтому не возникает каких-либо сомнений в целесообразности отказаться от очертания входа в виде логарифмической спирали и применить более выправ­ ленное или даже прямолинейное очертание входного участка направ­ ляющих лопаток. Увеличение начального угла выше значения а4, которое соответствует у логарифмической спирали ширине входа а4, оказалось неблагоприятным. В противоположность этому, умень­ шение начального угла не вызывает ухудшения, естественно, при сохранении расчетной ширины входа. Упомянутые опыты дали при прямолинейном входе даже большую стабильность напорной харак­ теристики, чем при криволинейном входе; поэтому сомнительно, следует ли в дальнейшем считать логарифмическую спираль нормаль­ ной формой входного участка лопатки направляющего аппарата. Из этих ссображений следует также, что не следует рекомендовать ранеепримененную эвольвенту, так как ей соответствует угол наклона, уменьшающийся к периферии.

При применении эвольвенты хотя и сохраняется правильный начальный наклон лопатки, но, наряду с упомянутыми выше недо­ статками, следует учесть еще слишком малую ширину входа а4, которая определяется из уравнения (9. 8а) после отбрасывания вто­ рого члена в скобках.

Толщина лопатки s4 сравнительно мала и ее можно принять равной от 1 до 4 мм.

Для преобразования скорости в давление квадратное сечение входа в направляющие каналы, как правило, более благоприятно, чем прямоугольное. Из этого обстоятельства можно получить исходные

377

то

и поэтому может быть использовано только для ориентировки. Вследствие неравенства скоростей в интервале между двумя сосед­ ними концами рабочих лопаток, рекомендуется выбирать число направляющих лопаток ненамного больше, чем число рабочих лопа­ ток. Следовательно, рабочий канал не должен перекрывать несколько направляющих каналов [279].

Насосы с лопаточными направляющими аппаратами большей частью являются многоступенчатыми и необходимые стяжные болты корпуса часто проходят через направляющие лопатки, в этих случаях решающее влияние имеет потребное количество стяжных болтов в корпусе, которое, в свою очередь, зависит от формы вса­ сывающих и нагнетательных патрубков (см. фиг. 158 и 216).

У центробежных насосов большей частью делается больше направляющих лопаток, чем это следует из уравнения (9 . 9), так как благодаря этому уменьшается ранее упомянутый свистящий шум, а в случае внутреннего охлаждения увеличиваются поверх­ ности охлаждения.

Справедливость иногда применяемого правила, что число направ­ ляющих и рабочих лопаток не должно иметь общего множителя, не подтверждается практикой. Малое число направляющих лопаток уменьшает трение, но увеличивает угол расширения направляющего канала, если лопатки позади не утолщены и поэтому применимо только тогда, когда а3 очень мал или длина канала в меридиональном сечении может быть большой. При проектировании формы напра­ вляющего канала между входным сечением ВС и выходом необхо­ димо принимать во внимание соображения раздела 13, п. б. Парал­ лельное протекание стенок входного сечения достигается путем скру­ гления вершин лопаток. Резкое заострение, по-видимому, уве­ личивает мощность, потребляемую насосом при нулевой подаче. Расширение сечения должно быть плавным и непрерывным, а угол расширения не должен превышать допустимого предела значения ни в одном участке продольного разреза.

На фиг. 211 показана картина течения в пограничном слое направ­ ляющего канала при нормальном потоке, полученная Шрадером с помощью нанесения красок на обтекаемые поверхности. Угол расширения составлял 20° при 12 направляющих лопатках, несмотря на значительное утолщение выходного конца. На этой фигуре видно, что поток прилегает к лопатке вдоль всей ее длины только на нижней (на всасывающей) стороне, на верхней (напорной) стороне лопатки очевидно нет сквозного течения в пограничном слое, вследствие чего там, по-видимому, создается раширенное мертвое пространство. Таким образом, при таком расширении стенок канала поток не сле­ дует более за ними. Последующий расчет меридиональной скорости cim на выходе из направляющего канала (в связи с сужением потока

378

на выходе, причем она определялась по крутящему моменту, воспри­ нимаемому направляющим колесом), показал, что действительно нагруженное потоком сечение в направляющем канале больше, чем это можно определить по картине течения в пограничном слое.

Фиг. 211. Образование мертвого пространства в направляющем канале при нормальном (расчетном)

расходе.

На фиг. 212 показано сечение/Зта, перпендикулярное к скорости с5, вместе с вытекающим из него действительным полем скоростей потока.

По возможности, следует избегать изменения направления потока после входного сечения. В случае воздушной машины следует

в Брауншвейге).

Необходимо обратить внимание на то, что механизм замедления потока заметно отличается от замедления в обычном неподвижном канале. Измерения Шрадера распределения давления вдоль направ­ ляющей лопатки привели к исключительным результатам, а именно,

379

что большая часть прироста давления создается в косом срезе входа направляющего участка канала. На фиг. 213 показаны кривые распределения давления в зависимости от радиуса, полученные Шрадером, при нормальном рас­

Можно видеть, что сильный прирост наблюдается прежде

71а. ЧИСЛОВЫЕ ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК

а) Направляющий аппарат для питательного насоса, рассмотрен­ ного в разделе 50. По числовым данным упомянутого примера со­ гласно уравнению (9. 2) можно вычислить: с3„ = g-85,0/36,65 =

380