Седов Л.И. Механика сплошной среды, Т. 2 (1119110), страница 23
Текст из файла (страница 23)
п. Воздушные и водяные винты предназначаются также для получения тяги. Онн передают механическую энергию газу н создают непосредственно сзади себя область повышенного давления, которая в свою очередь обусловливает развитие реактивной струи. Промышленные и бытовые вентиляторы часто используются для создания перепадов давлений, нужных для организации требуемыхпотоков. Например, внутри аэродинамических труб с замкнутым контуром вентиляторные установки используются для обеспечения непрерывной циркуляции воз- а) См. т. 1, стр. 243. Гл.
ЧШ. Гидромехакика духа, необходимой для преодоления различных сопротивлений и компенсаций потерь механической энергии. Заметим также, что в процессе действия аэродинамической трубы происходиг непрерывный переход механической энергии в тепловую, поэтому, если отток тепла естественным путем недостаточен, может возникнуть необходимость специального охлаждения. В аэродинамических трубах с потоком воздуха на выброс необходимо предварительно с помощью компрессоров заготовлять запасы ся>атого воздуха, накачивая его в специальные баллоны, из которых этот воздух выпускается через трубу в атмосферу или в вакуумные камеры. В различных систел>ах реактивных и поршневых двигателей, особенно в случаях работы их на большой высоте в разреженной атмосфере, воздух, забираемый диффузором, перед его поступлением в камеру сгорания выгодно предварительно тормозить и сжимать с помощью компрессора.
Существуют два основных типа компрессоров непрерывного действия, это — центробежные и осевые компрессоры. На рис. 49 даны их схемы. В центробежном компрессоре основное движение гааа через профилированные колеса — радиальное, в относительном движении газ ускоряется и сжимается центробежными силами. В осевом компрессоре основное движение газа происходит по цилиндрическим поверхностям через систему вращающихся лопаток, действующих на газ подобно решетке в рассмотренном выше плоскопараллельном обтекании. Ответственными элементами компрессоров явля>отся направляющие аппараты на входах во вращающиеся колеса и выходные диффузорные каналы.
Практически очень трудно получить без больших потерь большие степени сжатия, т. е. большие значения величины Р,' Я = — * Р,* в одном колесе, поэтому приходится прибегать к последовательному сжатию в нескольких колесах с промежуточными направляющими аппаратами.
Для получения больших степеней сжатия конструируются многоступенчатые компрессоры. Основными параметрами, характеризующими режим работы компрессора, являются.' массовый расход газа Р>г181 Рэ>>2~2 где Я, и Я, — площади на входе и выходе компрессора соответственно; температуры торможения Т;, Т>' и достигаемая степень сжатия я = р>/рг (вместо величины я можно вводить другие эквивалентные характеристики действия компрессора). $ 9. Основные агрегаты гидродивамических машин 105 Ниже мы рассмотрим перечисленные величины для движения газа относительно неподвижных каналов компрессоров.
Из!уравнения энергии следует, что общая работа, подведенная Р ) г г ! ) ) ! ! ! д т е у д У Я Р У 3 У б) рис, 49. Схемы компрессоров: А) одвоступевчатый цевтробежвый компрессор (а — входной патрубок, Ь вЂ” рабочее колесо с крыльчаткой, с — двффузориый выходкой аппарат, о — выходные патрубки); Б) осевой компрессор (ат — входной и ст — выходной напРавляющие аппараты, Ь, — рабочее колесо, Я вЂ” ось зращоиия рабочего колеса). Ввиау изображена решетка, образующаяся з результате развертки ва плоскость поверхиости круглого цаливдра с о:ью Я, пересекающего лопатки компрессора.
Если радиус этого цилиндра велик по сравнению с раамерами сечения лопаток, то з ряде случаев можно превебрегать радиальным движеиием газа и с хорошим приближевием рассматривать движение гааа по циливдрической поверхности как плоскопараллельвое даижевие через решетки. На рисувке указаиы направления абсолютвых, относительных и переносных скоростей з соответствующих сечениях.
к газу в единицу времени, в действительном процессе равна — И' = А = с„( Т, — Т,) С. всегда больше идеальной работы, Гл. 'Ч111. Гидрокехаиика которую необходимо подвести к газу в обратимом процессе без потерь для того, чтобы получить ту же степень сжатия я. В самом деле, для совершенного газа верны следующие общие формулы: о — и е * Т вЂ” 1 ° ~ "и и Т,=оо — р„., е Т ° 7 — 1 То — — х — ро Т (а — размерная постоянная), причем из-за потерь в проточной части компрессора (вязкость, скачки уплотнения, срывы потока, смешения неравномерных потоков и т. п.) имеем ео ео ) ео — ео. Введем мысленно аднабатический обратимый процесс, в котором достигается переход от р, к р,. В этом идеальном процессе нет потерь и, следовательно, энтропия сохраняется постоянной, поэтому для температуры торможения получим другое значение Т„„, определяемое формулой х — 1 И вЂ” ое 7 — 1 ' 'и Тоал — — к — Р, е ( Т,„.
Т Соответствующая механическая работа Аол, которую надо затратить в идеальном процессе, равна Аол — — е„(Тооа — Т„) С . А = ел (То — Т,). Отношение Ао — С1 А ол называется адиабатическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.) компрессора в целом, этот коэффициент можно рассматривать также для ка;кдой ступени в отдельности.
Адиабатический к.п.д. является главной характеристикой технического совершенства компрессора. Для данного компрессора цох и степень сжатия я зависят в основном от расхода 6, который можно в общем случае регулировать внепшими условиями (скорость полета, площади проходных сечений и т.п.),и от числа оборотов рабочих колес, создающих напор. Для данного компрессора существуют расчетные наивыгоднейшие режимы работы, для которых имеет наибольшее значение. Максимальные значения 71ол зависят от типа, назначения и условий работы компрессора.
В лучших авиационных компрессорах в одной ступени со степенью сжатия я = (,5 — 1,4 достигаются значения о1ол О,В7 — ОМ8. 1 В. Основные агрегаты гидродинамнческнх машин 107 Из общей формулы при наличии в установившемся движении гааа внешнего притока или оттока энергии А -~- фм = с Т, '(я " е 'е — 1) С (9.17) можно вывести, что для получения данной степени сжатия я можно уменьшить потребную работу А с помощью уменьшения энтропии г, путем охлаждения газа (Д'> ( 0) в процессе сжатия, так как при отборе тепла энтропия падает. В этом случае сжатый газ может оказаться первоначально при заметно пониженной температуре, однако при создании запасов сжатого газа в баллонах его сниженная температура впоследствии все равно выравнивается с температурой окружающей среды эа счет теплопроводности.
Для установления количественных оценок возможных выгод с'патия газа с охлаждением применим формулу (9Л7) к квазистационаркому (обратимому) изотермическому процессу сжатия газа. В этом случае формула (9.17) и равенство ТсЫ = сКХ0 дают Авета, = — ~ ' = — Т(е, — гт) С. (е) Так как в изотермическом процессе имеем 8 е~ = — =( —,~ е Т„'р,' т-г т то ее — ат — — — сг 1п л Следовательно, в этом случае получим т-1 т — г А~~~~„= СсрТ,1пя " (Аан — — Сс„Т,(я " — 1) так как при х = я~т-'Лт > 1 имеет место очевидное неравенство: х Х ее )вх=~ — (~ Их=х — 1. 1 1 В противоположность компрессору, в котурбииа тором энергия сообщается потоку, турбина применяется для отбора механической анергии от потока жидкости или газа. В адиабатическом (~',ДО = 0) потоке, проходящем через турбину, А <" О, поэтому согласно (9.17) в турбине я ( 1 и, следовательно, в газе, проходящем через турбину, происходит падение полного давления р, ( р,.
На рис. 50 показаны типичные схемы осевой и радиальных турбин. )оз Гл. ЧШ. Рццромехакика Простыми примерами турбин могут служить уже много веков используемые мельничные воздушные ветряные роторы и водяные колеса. Водяные турбины разнообразных мощностей вплоть до миллиона киловатт в одном колесе широко используются на гидроэлектростанциях. Паровые и гааовые турбины и у г ласс ' '14 Б) Рис. 50. Раеличпые схемы турбин: А] радиальная центростремительная турбина; Б) радиальная центробежиая турбина; и) ступень осевой турбины (а — сопловые аппараты, Ь вЂ” рабочие колеса), внизу справа покаеавы соответствующая развертка и направления скоростей). получили большое распространение в технике для решения множества важных промышленных задач. В современных авиационных двигателях для вращения компрессоров или воздушных винтов применяются мощные газовые турбины (порядка сотен тысяч киловатт).
Во многих случаях турбины используются как корабельные двигатели. $9. Освоение агрегаты гядродкнамвческах машин 109 Турбинные колеса несут на себе специально спроектированные лопасти или лопатки, которые поворачивают протекающий через них водяной или газовый поток. Благодаря атому лопатки и колеса воспринимают большие реактивные силы, совершающие положительную работу. Таким путем энергия от газа или хгидности переходит к телу вращающегося колеса.
Во многих случаях для получения наиболее благоприятных скоростей поток предварительно закручивается перед колесом и выпрямляется за ним с помощью специальных неподвижных направляющих сопловых аппаратов, которые регулиругот также и величины скоростей жидкости или газа (см. схемы на рис.
50). Так же как и компрессор, турбина мохгет состоять из нескольких ступеней, имеющих одинаковую или разные угловые скорости вращения. Рассмотрим вопрос о моменте (относительно неподвижной оси вращения) гидродинамическнх сил, действующих на колесо одной ступени турбины (или компрессора), вращающееся с постоянной угловой скоростью. Заметим прежде всего, как это было много раз уже указано и использовано выше, что в относительных движениях в различных инерциальных системах отсчета силовые взаимодействия в каждой точке среды, а также н суммарные силы и моменты одинаковы. Если рассмотреть теперь два движения жидкости или газа: первое относительно неподвижной инерциальной системы координат и второе относительно неинерцкальной системы отсчета, связанной с колесом турбины, вращающимся с постоянной угловой скоростью ог около неподвижной оси, то в последнем случае необходимо ввести в рассмотрение действующие на среду внешние массовые центробежные силы инерции и внешние массовые силы инерции Кориолиса.
Наличие массовых сил инерции в относительных движениях связано с появлением обобщенных «архимедовых сил» и их моментов. Эти силы действуют не только на газ или жидкость, но и на тело вращающегося колеса и на укрепленные на нем лопатки. Большие (из-за большой угловой скорости вращения го колеса турбины) массовые силы инерции приводят к огромным разрывающим напряжениям в теле колес н, особенно, в лопастях (лопатках) турбин. В основном именно поэтому приходится ограничивать величину угловой скорости вращения турбин и воздушных винтов. В связи с этим условием прочности турбин в их стальных лопастях и лопатках не допускаются окружные скорости, превышающие 700 м/сек.
Это является серьезным ограничением, которое необходимо учитывать при проектировании воздушных винтов и вращающихся колес. Очевидно, что в профилированных элементах неподвижных направляющих аппаратов такого рода разрывающих напряжений не возникает. 11О Гл. т 111. Гидромеханика Рис. 51.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
