Нагнетатели и тепловые двигатели

(Конспект курса)

Общие сведения о дисциплине

В естественных условиях текучая среда (жидкость, газ) всегда перемещается в сторону области с меньшей удельной энергией. Однако, чтобы заставить текучую среду двигаться в обратном направлении надо искусственно сообщить ей приращение энергии. Делается это с помощью машин называемых нагнетателями.

Нагнетатели – это машины для преобразования механической энергии двигателя в потенциальную, кинетическую и тепловую энергию потока.

Соответственно между затраченной механической работой , начальной на входе в нагнетатель энергией потока и конечной на выходе из него с учётом КПД энергетических преобразований должно соблюдаться равенство

_к – Q_н = ∆Q _.

Решается в технике и обратная задача, когда энергию потока преобразовывают в механическую работу. При этом поток может быть естественным (река, ветер) и искусственным, созданным за счёт подвода тепловой энергии. В первом случае класс машин называется гидро и ветродвигателями, во втором – тепловыми двигателями.

Т епловые двигатели – это машины для последовательного преобразования подводимой тепловой энергии в энергию потока, а последнею в механическую работу вращающегося вала.

Энергетический баланс двигателя можно представить так:

,

где – подведенная тепловая энергия; – потенциальная, кинетическая и тепловая энергии потока; – КПД соответствующих преобразований; q – полученная механическая работа.

В рамках настоящего курса в качестве тепловых двигателей рассматриваются паровые турбины, газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания, а в качестве нагнетателей – насосы, вентиляторы и компрессоры.

Насосы и вентиляторы, по сути, транспортные машины и предназначены для перемещения соответственно воды (жидкости) и воздуха (газа).

Компрессор - это энергетическая машина, т.к. основная часть сообщенной воздуху энергии при его сжатии расходуется на выполнение различных технологических и механических операций.

Нагнетатели с вращающимся рабочим органом принято называть турбомашиной.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. Нагнетатели

1. Принципиальное устройство турбомашин

Кинематический принцип передачи энергии потоку реализуется двумя типами лопастных рабочих органов: центробежным и осевым, что и определяет конструктивный тип турбомашины.

Центробежная одноступенчатая турбомашина (рис.1) состоит из рабочего колеса 1 с лопастями 2 и обтекателем 3, вала 4, подшипников 5, спирального отвода 6, входного патрубка 7, напор­ного патрубка 8 и диффузора 9, который применяется только для вентиляторов.

Рис.1. Центробежная одноступенчатая турбомашина

При вращении рабочего колеса в направлении, показанном стрелкой, жидкость, находящаяся в межлопастных каналах, под действием лопастей приходит в движение. Перемещаясь вдоль лопастей от входа в колесо к выходу из него, поток жидкости по­лучает приращение полной энергии – суммы потенциальной и кинетической энергии (статического и скоростного напора) и затем поступает в спиральный отвод. В постепенно расширяю­щемся спиральном отводе кинетическая энергия потока частично преобразовывается в потенциальную – в статический напор (дав­ление), который еще больше возрастает в диффузоре. Поток жидко­сти поступает в рабочее колесо непрерывно, так как в центре ко­леса при работе турбомашины непрерывно создается разрежение. Обтекатель необходим для безу­дарного подвода жидкости к ло­пастям.

Осевая турбомашина (рис.2) состоит из рабочего колеса в виде втулки 1 с лопастями 2, вала 3, корпуса 4 с коллектором 5, переднего обтекателя (кока) 6, спрямляющего аппарата 7, диффузора 8 и подшипников. Лопасти относительно втулки закреплены под некоторым углом.

Рис.2. Осевая турбомашина

При вращении рабочего колеса в направлении, показанном стрелкой, благодаря воздействию лопастей на жидкость происходит приращение давления, необходимое для движения жидкости. У входа в колесо возникает разрежение, а за колесом – давление. За рабочим колесом устанавливается спрямляющий аппарат для выравнивания в осевом направлении потока, выходящего из колеса закрученным. Назначение диф­фузора в осевой турбомашине то же, что и в центробежной.

2. Основные рабочие параметры турбомашин

Подача (производительность) Q – количество жидкости транспортируемой в единицу времени (м³/c, м³/мин, м³/ч, кг/c). Термин подача применим только по отношению к насосам.

Напор (давление) H, p – приращение полной удельной энергии, полученной жидкостью в турбомашине. Единица измерения напора - м. водяного столба; давления - Па.

Давление связано с напором соотношением

p = ρgH, (1)

где ρ – плотность воды кг/м³.

Мощность полезная – это приращение энергии потока в единицу времени, которое определяется соотношением

Nп = pQ/1000 = ρgH/1000, кВт (2)

Мощность общая – это энергия, потребляемая приводным двигателем, которая зависит от КПД турбоагрегата η

Nо = Nп / η. (3)