Тема 1. Основы теории турбомашин.

 

Понятие о турбомашине, ее устройство и принципах работы.

 

Разновидность турбомашин. Общее устройство и принцип действия осевых и центробежных (радиальных) турбомашин. Назначение основных элементов: коллектора, направляющего, спрямляющего аппаратов, обтекателя, диффузора. Величины (параметры), характеризующие работу турбомашин; производительность (подача), давление (напор), мощность, коэффициент полезного действия, частота вращения. Размерность в соответствии со стандартом.

 

Литература: (4, с. 8-11).

 

Методические указания

 

Эта тема имеет значение, так как на базе полученных знаний в последующих трех разделах будут изучаться шахтные вентиляторные, насосные и компрессорные установки, основные элементы которых похожи и имеют то же назначение. Поэтому следует хорошо уяснить принцип действия и различия между центробежной и осевой турбомашинами, назначение и устройство их основных элементов, разновидности турбомашин и их отдельных элементов. Единицы величин, характеризующих работу турбомашин, необходимо изучать по литературе, где они приведены в СИ. Но так как промышленность и некоторая справочная литература полностью еще не перешли на СИ, следует изучить и некоторые наиболее распространенные внесистемные единицы и их соотношение с единицами СИ.

 

Вопросы для самопроверки:

 

1. Что называют турбомашиной?

2. Назвать основные элементы центробежной и осевой турбомашин.

3. Разновидности турбомашин. Какие из них применяются в угольной промышленности?

4. В чем сходство и различие осевой и центробежной турбомашин?

5. Что дает параллельное и последовательное соединение колес турбомашины?

6. Назвать величины, характеризующие работу турбомашин, и указать их единицы.

7. Почему для различных шахтных турбомашин применяются разные единицы измерения подачи (производительности)?

 

 

 

2. Теоретические характеристики турбомашин. Действительные индивидуальные характеристики турбомашин

 

Основное уравнение колеса турбомашин.Анализ уравнения. График скоростей жидкости в колесе. Уравнение теоретической характеристики турбомашин. Типы рабочих колес турбомашин и соответствующие им теоретические характеристики. Анализ теоретических характеристик.

Понятие о действительной индивидуальной характеристике турбомашин. Сравнение действительных индивидуальных характеристик турбомашин различных типов.

Эксплуатационные (полные) действительные характеристики центробежных и осевых турбомашин. Анализ характеристик. Коэффициент полезного действия турбомашин: полный, объемный, гидравлический, механический.

 

Литература: (4, с. 11-17).

 

Литература: (4, с. 17-22).

 

Методические указания

 

При изучении темы следует, уяснить предположения, допускаемые при выводе теоретических характеристик, какое движение совершает частица жидкости (текучего) в межлопастном канале, как направлены окружная и относительная скорости, изучить диаграмму скоростей на выходе и входе рабочего колеса.

Анализируя основное уравнение центробежной турбомашины, необходимо уяснить от каких величин зависит теоретический напор турбомашины, чем характеризуется закручивание потока текучего в колесе, что такое циркуляция скорости. Аналогично следует анализировать уравнения теоретического напора осевой турбомашины, теоретической производительности, теоретических индивидуальных характеристик центробежной и осевой турбомашины. Так в уравнениях теоретических характеристик теоретический напор прямо пропорционален теоретической производительности в первой степени, то графически теоретические характеристики выражаются прямыми линиями, имеющими наклон в зависимости от того, как загнуты лопасти колеса. При этом надо обратить внимание на то, как загнуты лопасти рабочих колес шахтных насосов, вентиляторов и компрессоров и при каких лопастях будет максимальный КПД.

Действительными индивидуальными характеристиками пользуются в дипломных проектах при определении режима работы турбомашины, а также в практической деятельности. Поэтому очень важно при изучении этой темы ознакомиться с формами этих характеристик по учебнику (2) и приведенной литературе, уяснить, почему действительная характеристика расположена ниже теоретической, сравнить действительные характеристики турбомашин различных типов, научиться, ими пользоваться. В справочной литературе для вентиляторов их называют аэродинамическими характеристиками, для насосов – характеристиками кривыми или просто характеристиками. При этом для вентиляторов приводится обычно не одна, а несколько эксплуатационных характеристик, соответствующих различным углам установки лопаток рабочего колеса или направляющего аппарата. Характеристики насосов даются обычно для одного рабочего колеса. Чтобы получить характеристику насоса с несколькими колесами необходимо величину напора умножить на число колес секционного насоса. Действительные характеристики центробежной турбомашины с лопатками загнутыми вперед имеют вид выпуклой кривой (горбатые характеристики), с лопатками загнутыми назад – падающей кривой (безгорбые характеристики), а осевой машины – седлообразной кривой. При этом впадина на действительной характеристике осевой турбомашины тем больше, чем больше угол установки лопастей относительно втулки.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. От каких величин зависит теоретический напор турбомашин?

2. Какое движение совершает частица текучего в межлопастном канале?

3. Как направлены окружная скорость, относительная и абсолютная скорости при движении частицы текучего в колесе?

4. Какие применяют типы рабочих колес центробежной турбомашины?

5. Как выглядят теоретические характеристики центробежной турбомашины при различных загибах лопасти колеса?

6. Какой вид имеет теоретическая характеристика осевой турбомашины? Сравните ее с теоретическими характеристиками центробежной турбомашины.

7. Что называют действительной индивидуальной характеристикой турбомашины?

8. Почему действительный напор, турбомашины меньше теоретического?

9. Как изменяется давление жидкости в межлопастном канале колеса при различных подачах и скорости на выходе плеса в реальной турбомашине?

10. Что называют гидравлическим КПД турбомашины?

11. Как расположены действительные характеристики турбомашины относительно теоретических характеристик?

12. Какие формы имеют действительные характеристики турбомашин в зависимости от конструкции машины и лопатки?

 

3. Характеристики внешней сети. Режим работы турбомашин

 

Внешняя сеть турбомашин, Уравнение и характеристики внешней сети для водоотливных и вентиляторных установок. Понятие об эквивалентном отверстии.

Режим работы турбомашин. Номинальный (оптимальный) режим и его параметры. Причины несовпадения рабочего режима с номинальным. Зона промышленного использования турбомашин. Понятие об устойчивых и неустойчивых режимах.

 

Литература: (4, с. 22 – 27).

 

Методические указания

 

Характеристикой внешней сети называют зависимость между количеством жидкости (воздуха), транспортируемой в единицу времени, и напором (давлением) в сети, по которой перемещается жидкость. Вначале надо рассмотреть разновидности внешних сетей (трубопроводы, системы горных выработок), на которые могут работать шахтные турбомашины. Затем следует выразить эту зависимость графически и аналитически, сравнить характеристики внешней сети вентиляторной и насосной установок, а также с характеристиками осевой и центробежной турбомашин. Анализируя уравнения характеристик внешней сети, необходимо уяснить все величины, входящие в уравнение. Решить задачи на построение характеристик внешней сети. Объяснить, куда расходуется напор при работе на сеть, с геометрической высотой подачи и от чего зависит постоянная сети (трубопровода).

Режим работы турбомашины графически находят как точку пересечения характеристик турбомашины и внешней сети, построенных в одинаковых масштабах. Опустив из этой точки перпендикуляры на оси координат и на кривую КПД, находят соответствующие параметры турбомашины: подачу, напор и КПД. Номинальный (оптимальный) режим работы турбомашины соответствует максимальному КПД турбомашины. Так как на практике характеристика внешней сети может изменяться, то автоматически изменяется и режим работы турбомашины. При этом режим работы может оказаться неустойчивым или вообще отсутствовать. В первом случае на графике будут две и более точки пересечения характеристик турбомашин, и внешней сети, во втором случае точка пересечении отсутствует.

Неустойчивую работу турбомашины можно устранить одним из способов регулирования и правильным подбором машины для данной сети.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Что называют характеристикой внешней сети?

2. Напишите уравнения характеристик вентиляционной сети и трубопровода водоотливной установки.

3. Постройте характеристики внешней сети для вентиляторной установки и водоотливной установоки.

4. От каких величин зависит постоянная внешней сети (трубопровода)?

5. Как найти режим работы турбомашины и ее параметры графически?

6. Какой режим работы называют неустойчивым?

7. Когда режим работы турбомашины на данную сеть отсутствует?

8. Какой режим работы турбомашины называют номинальным? 9. Как устранить неустойчивый режим работы турбомашины?

 

4. Закон пропорциональности. Коэффициент быстроходности.

 

Подобие действительных характеристик. Законы пропорциональности. Коэффициент быстроходности турбомашин.

 

Литература: (4, с. 22—30).

 

Методические указания

 

Прежде всего необходимо установить, какие машины называют геометрически подобными и как выразятся графически их действительные характеристики, а также характеристики одной и той же турбомашины при различных способах регулирования. Анализируя законы пропорциональности для подобных машин и одной и той же турбомашины, необходимо установить зависимость между основными параметрами турбомашины (подачей, напором, мощностью, частотой вращения и диаметром рабочего колеса), уяснить, на какие турбомашины эти законы не распространяются, решить задачи на нахождение одного из параметров машины при изменении остальных, и наоборот.

Затем необходимо вывести формулы коэффициентов быстроходности для вентиляторов и насосов и уяснить, для чего они вводятся.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Какие турбомашины называются геометрически подобными?

2. Как располагаются на графиках действительные характеристики турбомашины с различными частотами вращения, углами установки лопастей рабочего колеса, направляющего аппарата?

3. Как изменятся подача, напор и мощность турбомашин, если диаметр колеса изменили в 1,2 раза?

4. Как изменятся подача, давление и мощность вентилятора, если частоту вращения увеличили в 1,1 раза?