Насосики турбоашины и компрессора

Рис.22. Действительная индивидуальная характеристика центробежного вентилятора

При выборе машины для заданных условий работы и решении практических задач пользуются эксплуатационными индивидуальными характеристиками, полученными опытным путем при испытаниях турбомашин на специальных заводских стендах или непосредственно на предприятии. На рис.22 показан примерный вид таких характеристик шахтного центробежного вентилятора по полному и статическому КПД.

Действительные индивидуальные характеристики турбомашин изменяются со временем, что вызвано износом деталей машин. Некоторые характеристики при износе изменяются примерно также, как при уменьшении скорости вращения рабочего вала и получаются только опытным путем.

При эксплуатации всех машин необходимы периодические испытания с целью определения их действительных характеристик.

2.4. Подобие турбомашин

31

В связи со сложностью процессов, происходящих в турбомашинах, при их эксплуатации и проектировании широко применяются методы подобия. Это позволяет при создании новых машин использовать опытные данные, полученные при исследовании аналогичных машин или на модели с меньшими параметрами, т.е моделировать создаваемую турбомашину.

Подобными называются турбомашины, в которых соблюдается геометрическое, кинематическое и динамическое подобие.

Геометрическое подобие – равенство углов и постоянство отношений сходственных линейных размеров элементов конструкций подобных машин (натурной и модельной) [4].

Коэффициент геометрического подобия

Кинематическое подобие – постоянство отношений скоростей в потоках текучего, т. е. подобие треугольников скоростей

(рис.23).

Коэффициент кинематического подобия

Динамическое (силовое) подобие – постоянство отноше-

Рис.23. Планы скоростей в подобных турбомашинах

32

Для геометрически подобных турбомашин на основании уравнения (28), полагая СU1 = 0, находим

Используя выражения (40) и (41), получим уравнение для мощности

Уравнения (40)-(42) – приближенные и справедливы с точностью до изменения объемных, гидравлических и механических КПД сравниваемых машин.

Для одного рабочего колеса D2 = const и уравнения (40)- (42) имеют вид

Эти соотношения называются законами пропорциональности или законами эксплуатации турбомашин. Пользуясь законами пропорциональности, можно производить перерасчет индивидуальных характеристик на любую частоту вращения рабочего колеса.

Втурбомашиностроении принята классификация типов геометрически подобных турбомашин по удельной частоте вра-

щения ns, под которой понимают частоту вращения воображаемой модельной машины, обеспечивающей определенные условные

значения подачи Qs и напора Нs в оптимальном режиме (при максимальном КПД).

Всоответствии с уравнениями (40) и (41)

34

В качестве модельной машины для насосов условно был принят насос, который при полезной мощности 0,736 кВт обеспечивал напор Нs = 1 м, что соответствует подаче

Qs = 0,075 м3/с. При этом С1 = 3,65.

Для вентиляторов по рекомендации ЦАГИ были приняты Qs = 1 м3/с и Рs = 300 Па, при которых С1 = 1.

Частота ns является одним из критериев подобия турбомашин и связывает режимные параметры: подачу, напор, частоту вращения с геометрическими размерами рабочего колеса и определяют конструкцию машины. Так, увеличение ns ведет к уменьшению отношения наружного и внутреннего диаметров колеса.

Из формулы (38) видно, что турбомашины с большими значениями ns, при тех же n и Q будут развивать меньшие напор и давление, а при равных H и n, но большем ns турбомашина будет обладать большей подачей Q.

Числовое значение ns одинаково для всех геометрически подобных машин, работающих на подобных режимах. Поэтому ns используют как характеристику типа турбомашин для классификации серий подобных турбомашин.

Для классификации турбомашин используют также коэффициент быстроходности

были введены безразмерные параметры и для реальных турбомашин – отвлеченные напор H и подача Q :

строятся действительные типовые характеристики турбомашин. Основные преимущества типовых характеристик в том, что каждый тип турбомашин имеет только одну характеристику, не зависящую от геометрических размеров, частоты вращения и

37

ности напоров имеет вид:

H H1( Q )2. (51)

Q1

Зависимости (48) справедливы при постоянстве значений КПД на сходственных режимах, но при изменении частоты вращения в относительно узких пределах, так как механические потери в сальниках и подшипниках почти не зависят от частоты вращения. С уменьшением частоты вращения мощность лопастной машины уменьшается практически пропорционально n3 , поэтому доля механических потерь при значительном уменьшении частоты вращения резко возрастает.

Экспериментально полученные зависимости Н = f (Q) и= F(Q) для различных частот получили название универсальных характеристик турбомашины (рис.25). Кроме зависимостей Н = f(Q), при различных частотах вращения нанесены линии одинаковых КПД. Такие характеристики дают полное представление о связи параметров H, Q, и n.

Вопросы для самопроверки

1.Сделайте вывод формулы для теоретического напора Hт лопастной машины [6].

2.Что понимается под теоретической подачей Qт лопастной машины [3]?

3.Как влияет угол наклона лопаток 2 на выходе из рабочего колеса на теоретический напор [3]?

4.Объясните природу потерь напора в машине. Как они влияют на напорную характеристику [3,6]?

5.Как влияют на напорную характеристику машины утечки жидкости [3,6]?

6.Начертите индивидуальную характеристику радиальной машины [6].

7.Приведите выражения и объясните сущность критериев подобия лопастных машин [3,4].

38

8.Что понимается под безразмерными характеристиками лопастных машин? Приведите зависимости для коэффициентов давления, подачи и мощности [4].

9.Что понимается под удельной частотой вращения лопастной машины? Сделайте вывод формулы для ее определения

[3,4].

10.Что понимается под универсальными характеристиками турбомашины [4]?

3.РАБОТА ТУРБОМАШИН НА ВНЕШНЮЮ СЕТЬ

Из напорной характеристики турбомашины видно, что напор и производительность не могут быть произвольно заданы независимо друг от друга. При заданной скорости вращения рабочего колеса эти величины регламентируются индивидуальной характеристикой, из которой видно, какую удельную полезную работу (напор) машина способна обеспечить при определенной величине производительности.

С другой стороны, характеристика внешней сети при данном сопротивлении показывает, какая удельная работа (напор) требуется для транспортирования того или другого количества текучего. Очевидно, характеристика турбомашины и характеристика внешней сети связаны между собой.

3.1. Эксплуатационные режимы турбомашин

Имея действительную индивидуальную характеристику турбомашины (полученную опытным путем), нетрудно построить в этих же координатных осях характеристику внешней сети в том же масштабе.

39

Параметры рабочего режима определяются точкой а1 пересечения индивидуальной характеристики машины 1 (рис.26) ( в координатах р-Q – для вентиляторов и H-Q – для насосов) и характеристики внешней сети I.

При изменении характеристики внешней сети (например, при увеличении сопротивления сети – характеристика II) рабочий режим переместится в точку а2. Если характеристики не пересекаются, то машина не имеет рабочего режима (например, при работе центробежного насоса, максимальный напор которого меньше геодезической высоты Нг). При этом насос не сможет поднять воду на геодезическую высоту. Поэтому при выборе насосов необходимо, чтобы его напор был больше геодезической высоты.

Устойчивость работы турбомашины – важное условие ее нормальной эксплуатации. Изменение режимов работы возникает при изменении сопротивления сети или частоты вращения турбомашины, что выводит систему из равновесия.

Из рис.26 видно, что при монотонно падающей индивидуальной характеристике турбомашины всегда получается одна точка пересечения с характеристикой внешней сети и будет обеспечен устойчивый ра6очий режим установки.

Условием обеспечения устойчивого режима является выполнение неравенства [4]:

Рис.26. К определению рабочего режима вентилятора (а) и насоса (б)

40