§ 21. Турбины, насосы и воздуходувки.

Водяные турбины преобразуют мощность воды, падающей с некоторой высоты в мощность на вращающемся вале турбины. Насосы, наоборот, преобразуют мощность, имеющуюся на вале, в работу, необходимую для перемещения воды. Воздуходувки выполняют аналогичную задачу для воздуха. Воздуходувки, при работе которых создается небольшая разность давлений, называются также вентиляторами.

Если объемное количество жидкости, поступающее в турбину в одну секунду, равно а удельный вес жидкости равен 7, то располагаемой мощностью будет

Кроме турбин для использования мощности падающей воды применяются водяные колеса. Характерным признаком водяных колес

является следующее: вода, попадающая в пространство между лопатками колеса, практически приходит здесь в состояние покоя. В турбинах же вода в пространстве между лопатками рабочего колеса движется относительно лопаток. В водяных колесах используется главным образом весовое действие падающей воды, а также ударное действие воды, вступающей в пространство между лопатками. На дальнейших подробностях мы не будем останавливаться, так как в настоящее время водяные колеса следует рассматривать как совершенно устаревшие машины, к тому же не представляющие особого интереса с точки зрения гидродинамики.

Работа турбин основана на совершенно ином принципе — они преобразуют в полезную мощность кинетическую энергию движущейся воды. При помощи специального направляющего приспособления вода, движущаяся с большой скоростью, вводится без удара в пространство между лопатками рабочего колеса; эти лопатки отклоняют поток воды от своего первоначального направления так, что он покидает рабочее колесо с возможно меньшей абсолютной скоростью. При такого рода движении воды вредные потери энергии получаются небольшими, следовательно, почти вся разность между кинетической энергией воды, поступающей в рабочее колесо, и кинетической энергией воды, выходящей из рабочего колеса, преобразуется в мощность на рабочем вале турбины.

Рис. 186. План скоростей

Преобразование мощности падающей воды в мощность на вале турбины возможно двумя способами. При первом способе вся мощность напора воды еще до входа в рабочее колесо преобразуется целиком в кинетическую энергию струи, направляемой при помощи специального приспособления в рабочее колесо. Такие турбины называются турбинами равного давления, турбины равного давления Обозначим абсолютную скорость воды, поступающей в рабочее колесо, через а окружную скорость вращения рабочего колеса — через тогда скорость воды относительно колеса будет равна геометрической разности скоростей (рис. 186). Входные кромки лопаток имеют направление, приближенно совпадающее с направлением скорости Войдя в пространство между двумя лопатками, поток воды отклоняется от своего первоначального направления и выходит с другой стороны лопатки в направлении Относительная скорость по своей величине может быть принята равной скорости так как

потеря энергии на трение о поверхность лопатки весьма мала. Абсолютная скорость потока при выходе из лопатки получается построением треугольника скоростей по известным при наиболее выгодном режиме работы турбины она очень мала и направлена почти перпендикулярно к системе лопаток.

Рис. 187. План скоростей турбины избыточного давления

При втором способе использования мощности напора только незначительная ее часть преобразуется в кинетическую энергию до входа в рабочее колесо турбины, следовательно, вода поступает в рабочее колесо, имея значительное избыточное давление. Поэтому такие турбины называются турбинами избыточного давления. Относительная скорость воды при ее движении в суживающемся пространстве между лопатками значительно увеличивается, на что и расходуется оставшаяся часть мощности напора. На наиболее выгодном режиме работы турбины абсолютная скорость воды при выходе из рабочего колеса также очень мала и направлена почти перпендикулярно к системе лопаток (рис. 187).

В турбинах избыточного давления пространство между лопатками по необходимости заполняется водой целиком. В турбинах же равного давления лопаткам рабочего колеса придают такую форму, чтобы поток воды, протекающей между ними, имел свободную, граничащую с воздухом, поверхность. Следовательно, лопатки соприкасаются с водой только с одной стороны, что приводит к значительному уменьшению трения по сравнению со случаем двустороннего соприкосновения.

Если не учитывать трения и центробежного действия в рабочем колесе, то для связи между напором и скоростями с и получается соотношение:

Величина представляет собой часть напора используемую в направляющем приспособлении, а величина — часть напора используемую в рабочем колесе (для т.е. для турбины равного давления последняя часть равна нулю).

Теория турбин, основанная на предположении, что все частицы воды получают в рабочем колесе одинаковые отклонения, исходит от

Эйлера. Им же дан вывод так называемого турбинного уравнения, являющегося следствием теоремы о моменте количества движения (см. § 13 предыдущей главы). Обозначим составляющие абсолютных скоростей, перпендикулярные к радиусу вращения, при входе в рабочее колесо и при выходе из него через как это принято в теории турбин (вместо , как это было сделано в § 13 предыдущей главы). Тогда вращающий момент на вале турбины будет

Полезная мощность равна

или, так как

С другой стороны, полезная мощность равна

где есть гидравлический коэффициент полезного действия. Приравнивая правые части равенств (136) и (137) и имея в виду, что мы получим:

Если вода выходит из пространства между лопатками точно в направлении радиуса вращения, то составляющая равна нулю, следовательно, в этом случае

Из этого уравнения и из построений, сделанных на рис. 186 и 187, следует, что при равных напорах окружная скорость турбины избыточного давления значительно больше, чем у турбины равного давления. По этой причине при небольших и средних напорах устанавливаются всегда турбины избыточного давления, а при больших напорах — турбины равного давления.

С точки зрения современной гидродинамики предположение об одинаковом отклонении всех частиц воды в рабочем колесе турбины является неправильным. В настоящее время пространство между лопатками рабочего колеса турбины избыточного давления не рассматривают больше как канал, в котором течет жидкость; вместо этого

Рис. 188. Течение около лопаток

Рис. 189. Колесо Пельтона

каждая лопатка принимается за крыло, обтекаемое потоком жидкости, причем считается, что крыло и поток влияют друг на друга. Правильное представление о работе современных быстроходных турбин, в которых расстояние между отдельными лопатками весьма большое, можно получить только на основе гидродинамической теории. Однако даже и в тех случаях, когда движение воды между лопатками можно рассматривать как движение в каналах, средние направления движения частиц воды при входе в рабочее колесо и выходе из него отнюдь не совпадают с направлениями касательных к контуру лопаток при входе и выходе, как это принимается в старой теории. Только те частицы воды, которые движутся непосредственно около поверхности лопаток, получают отклонение, равное углу между направлениями указанных касательных. Остальные же частицы отклоняются на меньшие углы. Точные закономерности движения воды между лопатками исследованы в настоящее время для случая плоского течения. На рис. 188 изображена картина плоского течения около системы лопаток. Из этой картины ясно видно, что линии тока в промежутках между лопатками

Рис. 190. Схема установки колеса Пельтона; слева — два сопла

Рис. 191. Колесо Фрэнсиса

отклоняются на углы, меньшие угла между направлениями входа и выхода потока непосредственно около лопаток.

Какой вид в действительности имеют рабочие колеса современных турбин, показывают рис. 189, 191 и 192. На рис. 189 изображена современная конструкция так называемого колеса Пельтона, применяемого в качестве рабочего колеса в турбинах равного давления. Одна или несколько струй воды с круглым поперечным сечением направляются на острые выступы в середине лопаток, хорошо заметные на рис. 189 слева внизу. Попав на такой выступ, поток воды разделяется и попадает в правую и левую впадины лопатки, из которых он затем выходит, отклонившись почти на 180°. Наивыгоднейший эффект получается при скорости движения колеса, равной приблизительно половине скорости струи воды, падающей на колесо. На рис. 190 показана упрощенная схема установки колеса Пельтона и направляющего аппарата в виде двух сопел. На рис. 191 изображена обычная форма так называемого колеса Фрэнсиса, применяемого в качестве рабочего колеса в турбинах избыточного давления. Вода из направляющего аппарата, охватывающего рабочее колесо, поступает в отверстия, заметные на рисунке слева, и выходит через другие концы каналов, заметные на рисунке справа. Движение частиц воды внутри колеса происходит по траекториям, изогнутым в пространстве (на рис. 188 эти траектории изображены для случая плоского течения). Третьим видом рабочего колеса является колесо Каплана (рис. 192), позволяющее получить большую скорость вращения турбины при сравнительно небольшом напоре. Направляющий аппарат в турбине Каплана такой же, как и у турбины

Рис. 192. Колесо Каплапа

Рис. 193. Турбина Каплана. а — направляющее колесо; b - рабочее колесо; с — всасывающая труба, направляющие лопатки в правой половине горизонтальной проекции изображены полностью в открытом состоянии, а в левой половине — в закрытом состоянии

Фрэнсиса; он создает спиральное движение воды, направленное снаружи внутрь. Вода проходит через колесо Каплана в осевом направлении. Колесо Каплана является видоизменением колеса Фрэнсиса. В самом деле, если в последнем сохранить только крайние внешние части лопаток (на рис. 191 они хорошо видны справа), а все остальное отбросить, то получится колесо Каплана. Схема турбины Каплана изображена на рис. 193.

В турбинах избыточного давления для уменьшения энергии выходящей из турбины воды всегда устраивается всасывающая труба (см. рис. 193), обычно немного расширяющаяся книзу. Нижнее

отверстие этой трубы погружается в воду; этим достигается наиболее полное использование напора.

Часто полезная мощность, развиваемая турбиной, больше той мощности, которая необходима в данный момент в установках, связанных с турбиной. Для регулирования полезной мощности изменяется количество воды, поступающей в рабочее колесо. Обычно это выполняется при помощи автоматического устройства и притом так, что число оборотов турбины остается постоянным. В турбинах равного давления регулирование притока воды производится при помощи игольчатого клапана, автоматически увеличивающего или уменьшающего поперечное сечение сопла (рис. 190). В турбинах избыточного давления поступление воды в рабочее колесо изменяется путем поворота лопаток направляющего аппарата (рис. 193). В турбинах Каплана регулирование производится иногда при помощи изменения угла установки лопаток рабочего колеса.

Рис. 194. План скоростей винтового насоса. Слева — рабочее колесо, справа — направляющее колесо

Коэффициенты полезного действия хороших современных турбин колеблются в пределах от 0,85 до 0,90. Заметим, кстати, что паровые турбины используют подаваемый пар также либо при равном давлении, либо при избыточном давлении. Конечно, вследствие сжимаемости пара картина явлений, происходящих внутри рабочего колеса паровой турбины, более сложная, чем в водяной турбине.

Крыльчатые колеса, подобные колесам Фрэнсиса и Каплана, используются также в насосах, которые в известной степени являются обращением турбин избыточного давления. Насосы, в которых жидкость проходит через колесо в осевом направлении, называются винтовыми-, насосы с радиальным движением жидкости называются центробежными. Для подачи воздуха существуют винтовые и центробежные воздуходувки. Винтовые насосы и воздуходувки по способу своего действия сходны с гребным винтом; наиболее простые из них отличаются от гребного винта только тем, что они помещаются внутри трубы или в стенке, разделяющей два пространства. При помощи направляющего колеса кинетическая энергия вращательного движения, созданного пропеллером насоса, может быть в значительной своей части опять преобразована в давление (рис. 194).

Рис. 195. Центробежный насос со спиральной камерой

Рис. 196. Центробежный насос высокого давления

В центробежных насосах и воздуходувках обычное действие лопаток колеса усиливается центробежным действием во вращающихся каналах между лопатками. В самом дело, если система каналов вращается с угловой скоростью то возникающая при этом центробежная сила действует как массовая сила и влечет за собой увеличение давления на величину — как в состоянии относительного покоя, так и при установившемся движении [в последнем случае — вдоль линии тока (см. § 10 гл. I или § 8 гл. V)]. Лопатки колеса центробежного насоса могут быть направлены вдоль радиуса, а также загнуты вперед или назад относительно направления вращения. Насосы с лопатками, загнутыми назад, обладают наилучшим коэффициентом полезного действия, зато остальные дают несколько большее давление. В простых конструкциях центробежных насосов и воздуходувок система направляющих лопаток заменяется спиральной камерой (рис. 195). В более совершенных конструкциях, особенно в насосах высокого давления и турбокомпрессорах, в которых имеется несколько колес, поставленных одно за другим, устраивается специальная система направляющих лопаток (рис. 196).

Если насос подает жидкость на высоту в количестве в одну секунду, то его полезная мощность равна

где есть удельный вес жидкости. В случае воздуходувки должна быть учтена работа, расходуемая на сжатие воздуха; если эта работа мала, так что ею можно пренебречь, то для определения полезной мощности можно воспользоваться формулой (139), заменив в ней величину

разностью статических давлений до и после воздуходувки; тогда мы получим:

Если воздух засасывается в воздуходувку из пространства с давлением через короткую трубу или совсем без трубы, то можно принять, что

где есть средняя скорость во всасывающем отверстии. Кинетическая энергия массы воздуха, выбрасываемой из воздуходувки, может быть частично уловлена при помощи диффузора (расширяющейся трубы), так как таким путем, при условии, что противодавление постоянное, давление позади воздуходувки уменьшается. В воздуходувках для больших разностей давлений работой сжатия пренебрегать уже нельзя и для подсчета полезной мощности следует пользоваться такими же формулами, как и для поршневых воздуходувок.

Мощность необходимая для работы насоса или воздуходувки, больше полезной мощности так как часть энергии расходуется на преодоление гидродинамического сопротивления и трения в подшипниках. Отношение

называется коэффициентом полезного действия насоса или воздуходувки. Если пренебречь трением в подшипниках, то потребной мощностью будет

где есть вращающий момент на вале насоса или воздуходувки. Его вычисление и для винтовых и для центробежных машин можно выполнить при помощи формулы (135). В большинстве случаев поэтому

и так как

Подставляя это значение а также значение определяемое формулой (139), в равенство (141), мы получим формулу для определения

Рис. 197. Гидравлический привод: насос; турбина

Рис. 198. Гидравлический привод: N - насос; Г - турбина; L - неподвижное направляющее колесо

Скорость необходимая для подсчета по этой формуле, определяется непосредственно из треугольника скоростей, а для коэффициента полезного действия берется ориентировочное значение.

С турбинами и насосами известное сходство имеют гидравлические приводы, впервые введенные в практику Фёттингером. Они состоят из насоса и турбины, помещенных в одном и том же корпусе, и служат для переключения мощности с одного вала на другой. Переключение производится при помощи наполнения или, наоборот, освобождения корпуса от жидкости; в качестве рабочей жидкости применяется обычно жидкое масло. На рис. 197 и 198 изображены два типа гидравлических приводов.

В первом из них (рис. 197) вращающий момент передается с одного вала на другой непосредственно, во втором же (рис. 198) между быстро работающим насосом и медленно вращающейся турбиной помещена система неподвижных лопаток, воспринимающая разность обоих моментов. Коэффициент полезного действия гидравлических приводов весьма высокий, так как в них отсутствует обычная потеря энергии при выходе потока из направляющего канала.