Основные свойства лопастных машин. Лекция 2. Основные эксплуатационные свойства гидромашин.

Лекция 2. Основные эксплуатационные свойства гидромашин.

Гидромашины играют значительную роль в нашей жизни. Ни одна отрасль народного хозяйства, ни один технологический процесс, ни одно транспортное средство не сможет работать без гидравлических машин.

Водоснабжение, водоотведение, энергетика: использование атомной и тепловой энергии, получение электрической энергии – все основано на применении гидромашин.

С помощью гидромашин разводят мосты, открывают ворота шлюзов, открывают крыши шахтных пусковых установок (ШПУ) ракет.

Гидромашины – это необходимые и главные агрегаты промышленной автоматики, робототехники, всех видов транспорта, подъемного оборудования дорожных и строительных машин.

Гидромашины – это гидравлические усилители с коэффициентом усиления более, чем 100000 раз. Это – мощные уникальные гидравлические прессы с рабочим давлением до 100 МПа = 10³ атм. (при 8 тыс. атм. вода превращается в кристалл), развивающие усилия до 750 МН = 75 тысяч тонн– силы. Это– мощные современных гидротурбин с мощностью до 508 МВт! (Эл. генератор Красноярской ГЭС). Диаметр лопастного колеса гидротурбины этого генератора – 10 метров!

Это уникальные насосы (например ЖРД, F – 1 ) с подачей жидкости более 3 тонн в секунду. Это высокооборотные турбокомпрессоры современных эффективных холодильных машин, обороты вала которых достигают до 600 тыс. об. мин. (до 10 тыс. в секунду). Срок службы – некоторых гидромашин – до 20 лет. КПД – до 98 %.

Микроскопические водяные «скальпели» - которые применяются в современной микрохирургии глаза – уникальное современное гидравлическое медицинское оборудование, которое показывает насколько широко в настоящее время используются гидромашины и насколько высока технология их использования. Широко используются гидромашины также и в технологии восстановления материалов и оборудования современных ТС.

Необходимо также отметить, что современная гидравлика и гидромеханика в том виде, в котором они сейчас существуют, развивались, начиная со средины 18 века, благодаря потребностям создания высокоэффективных гидравлических машин – в основном гидронасосов и гидротурбин, основы расчета которых были заложены великими Д. Бернулли и Л. Эйлером.

Основные свойства лопастных машин.

Рассмотрим, какими же особенностям и преимуществами перед другими типами машин обладают лопастные машины, и что обусловило их чрезвычайно широкое применение.

Перечислим основные, наиболее общие, свойства лопастных машин.

1. Непрерывность действия. Лопаточные машины – машины непрерывного, а не циклического действия, они пропускают в единицу времени большое количество рабочего тела; поэтому они обладают хорошим удельным показателем – удельной массой, удельным объемом и т.п.

2. Высокие скорости рабочего органа. Рабочие колеса лопаточных машин могут иметь большие окружные скорости. Чем больше будет окружная скорость, тем больше будет работа, приходящаяся на единицу расхода рабочего тела, как это следует из уравнения Эйлера. Предел увеличению окружных скоростей ставит прочность материала рабочего колеса, так как при больших скоростях на рабочее колесо действуют громадные инерционные усилия.

В настоящее время максимальные окружности скорости центробежных компрессоров приближаются к 500-600 м/сек, а окружные скорости турбин, работающих в более тяжелых температурных условиях, к 350 - 450 м/сек. При таких окружных скоростях рабочие колеса малоразмерных турбин и компрессоров имеют частоту вращения порядка 3000-10000 1/сек. Наибольшую частоту вращения (до 10000 1/с) имеют турбины холодильных машин. Благодаря высоким значениям частоты вращения лопаточные машины имеют, как правило, небольшие значения удельной массы, т.е. массы, приходящейся на единицу мощностей.

3. Возможность достижения в одном агрегате практически неограниченных мощностей и расходов рабочего тела. Так, в настоящее время турбина является двигателем, способным развивать наибольшие мощности в течение продолжительного времени. Мощность отдельных паровых турбин и гидротурбин доходит до 500-800 тысяч кВт. В то же время, в приборостроении применяются турбины, мощность которых измеряется несколькими ваттами.

Большие промышленные вентиляторы прокачивают тысячи кубических метров воздуха в секунду, а водяные насосы – десятки кубических метров воды в секунду; в то же время, имеются лопаточные насосы с производительностью меньше 0,1 л/сек.

4. Возможность достижения высокого коэффициента полезного действия. Коэффициент полезного действия, т.е. отношение полезной мощности к располагаемой, у современных лопаточных машин может достигать значения 0,8 - 0,9. Лопаточные машины авиационных газотурбинных двигателей – турбины и осевые компрессоры – имеют значение к.п.д, в отдельных случая превосходящие 0,9.

5. Уравновешенность. Принципиально возможно обеспечить работу лопаточной машины без действия неуравновешенных сил инерции. Неуравновешенные силы инерции в лопаточных машинах могут появиться только в результате погрешностей при изготовлении. Практически они сводятся к допустимому минимуму динамической балансировкой роторов машин. В ТНА ЖРД ротор можно сбалансировать с точностью до Нм. Уравновешенность машины является ценным эксплуатационным свойством. Нагрузка на опоры, раму, фундамент резко уменьшаются, и вся конструкция может быть выполнена более легкой. В этом заключается существенное преимущество лопаточных машин перед поршневыми машинами, имеющими кривошипно-шатунный механизм, который всегда неуравновешен.

6. Высокая надежность и простота обслуживания, являющиеся ценными эксплуатационными качествами лопаточных машин.

7. Удобство соединения с электродвигателями, генераторами и друг с другом. Лопаточные машины как машины вращательного движения легко соединяются с электромашинами. Кроме того, привод лопаточной машины, потребляющий мощность (компрессор, насос), от лопаточной машины-двигателя (турбина) легко осуществить непосредственным их объединением. Такие агрегаты широко распространены в технике. Настоящий курс посвящается теории и расчету агрегата как раз такого вида – турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя. Правда, в отдельных случаях в ТНА ЖРД применяются шестеренчатый перебор между насосами и турбиной, но эта схема не типична для современных ЖРД.

Этим не исчерпываются все характерные свойства лопаточных машин. Выше были указаны только наиболее существенные и общие черты для всех типов лопаточных машин. В каждом частном случае применение лопаточной машины существуют свои особенности, преимущества и недостатки ее по сравнению с другими типами машин.