Устройство и принцип действия динамических и объемных машин

Разность полных удельных энергий может появляться естественным путем, например при движении воды в канале или ветра. В таких случаях возможно превращение энергии текучего вещества в механическую энергию с помощью машин-двигателей (различные турбины, ветродвигатели).

Однако в практике чаще приходится искусственно создавать разность полных удельных энергий в потоке текучих сред и для этого применять машины-генераторы, преобразующие подводимую к ним механическую энергию двигателя в энергию потока воды или воздуха. К таким машинам относятся различные насосы, вентиляторы, компрессоры.

Центробежная одноколесная турбомашина (рис.2) состоит из рабочего колеса 1 с лопатками 2 и обтекателем 3, вала 4, подшипников 5, спирального улиткообразного корпуса 6, всасывающего патрубка 7 и нагнетательного патрубка 8. Сеть каналов, заключенная между всасывающим и нагнетательным патрубками, называется внутренней цепью турбоустановки, а сеть канатов, присоединенная к патрубкам, - внешней ее цепью, которая в свою очередь подразделяется на всасывающую и нагнетательную.

П

Рис. 2. Центробежная одноколесная турбомашина: а -с односторонним всасыванием; б - с двухсторонним всасыванием

ри вращении колеса лопатки воздействуют на текучую среду, находящуюся между лопатками, и заставляют ее вращаться вместе с ними. Вращающиеся частицы текучего вещества центробежной силой отжимаются от центра к окружности колеса, в результате чего у входа в колесо образуется разрежение, а на его окружности - избыточное давление текучего вещества. Под действием атмосферного давления в разреженное пространство, находящееся у центра колеса, поступают новые частицы текучего вещества, создавая, таким образом, непрерывное движение во всасывающей цепи турбоустановки. Избыточное давление текучей среды на окружности колеса обусловливает непрерывное ее движение от колеса к входному отверстию нагнетательной цепи турбоустановки.

Таким образом, турбомашина, создавая разность давления между всасывающим и нагнетательным отверстиями, вызывает движение текучего вещества во внешней цепи турбоустановки.

В целях увеличения производительности турбомашины может применяться рабочее колесо с двухсторонним всасыванием, т. е. когда текучее вещество подводится к рабочему колесу с двух сторон (рис. 2, б).

Рис. 3. Последовательное соединение рабочих колес

Для увеличения давления, развиваемого турбомашиной, применяют последовательное соединение нескольких рабочих колес (рис. 3); такие машины называют многоступенчатыми. В них текучая среда последовательно проходит через все колеса 1, размещенные в секциях корпуса между направляющими аппаратами 2, где кинетическая энергия частично преобразуется в потенциальную.

Осевая турбомашина (рис. 4) состоит из рабочего колеса 1 с лопатками 2, вала 3, кожуха 4 с раструбом 5, переднего обтекателя 6, спрямляющего аппарата 7 и подшипников. У таких машин лопатки не образуют закрытых каналов и действуют на текучее вещество, находящееся между ними. Поскольку лопатки поставлены под углом к плоскости вращения колеса, сила их воздействия на текучее вещество раскладывается на две составляющие: одна из них, направленная по касательной, создает сопротивление вращению колеса; вторая, параллельная оси вала, передвигает текучее вещество вдоль оси и создает силу тяги. Спрямляющий аппарат предназначен для раскручивания потока текучего вещества, которое выходит из колеса закрученным. Осевая турбомашина может быть многоступенчатой, т. е. с последовательным соединением колес.

Рис. 4. Осевая турбомашина

Центробежно-осевой (полуосевой) насос (рис. 5) - смешанный тип лопастного насоса. Центробежный и осевой насосы можно рассматривать как предельные случаи полуосевого при угле  = 90° и 0°.

Рис. 5 Центробежно-осевой (полуосевой) насос:

1- рабочее колесо;

2 - отвод

Принцип действия вихревых насосов следующий (рис. 6, а). В кольцевой полости 1, соединенной с всасывающим и нагнетательным патрубками, жидкость увлекается в круговое движение благодаря интенсивной передаче импульса ее частиц, движущихся в межлопаточных ячейках рабочего колеса 2, потоку жидкости в примыкающем к нему канале. Вследствие неуравновешенности центробежных сил, действующих на частицы жидкости в межлопаточных ячейках колеса и в боковых каналах, по периферии колеса (Б-Б) возникают продольные вихри 3, на которые накладываются вихри 4, формирующиеся за лопатками. Траектории частиц жидкости образуют винтовые шнуры. Поступая в рабочее колесо, жидкость «разгоняется», а выходя в боковой канал, «тормозится» перепадом давления. Поскольку этот процесс многократный, в вихревом насосе при равных размерах и частотах вращения вала преодолевается перепад давления более высокий, чем в центробежном.

Рис. 6. Схемы вихревых насосов:

а - закрыто-вихревого, б - открыто-вихревого

Лопастные насосы не обладают способностью самовсасывания, иначе говоря, воздух, наполняющий первоначально подводящую трубу и насос, не может быть удален самим насосом для создания вакуума, достаточного для подъема жидкости с нижнего уровня и заполнения ею насоса. Поэтому перед пуском лопастной насос следует заполнять жидкостью извне или же снабжать устройством для создания нужного вакуума (вакуумным насосом или эжектором).

Вихревой насос в этом отношении отличается от лопастного, так как центральным расположением входного и выходного отверстий и профилированием бокового канала ему придается способность самовсасывания.

На рис. 6, б показана разновидность такого открыто-вихревого насоса (в отличие от закрыто-вихревого по рис. 6, а). В полости насоса при его запуске остается жидкость. При вращении колеса формируется жидкостное кольцо, радиальная толщина которого везде одинаковая, кроме участков, расположенных против отверстий - входного 1 и выходного 2. На этих участках размеры сечений бокового канала постепенно уменьшаются, благодаря чему радиальная толщина жидкостного кольца здесь увеличивается (подобно тому, как разливается река на мели). Между отверстиями 1 и 2 боковой канал имеет перемычку, вследствие чего жидкостное кольцо распространяется вплоть до втулки колеса. На рис. 6, б видно, что межлопаточная воздушная ячейка у входного отверстия расширяется по направлению вращения колеса. Таким образом, создается вакуум, необходимый для всасывающего действия насоса. Затем ячейка замыкается и переносит воздух к отверстию 2, через которое он выталкивается при уменьшении объема ячейки. Принцип действия открыто-вихревого насоса позволяет использовать его в качестве воздушного насоса и для перекачки газожидкостной смеси.

В центробежно-вихревом насосе имеются две ступени: в первой применяют центробежное, а во второй - вихревое рабочее колеса.

Поршневой насос простого действия представлен на рис. 7. Цилиндр 2 сопряжен с клапанной коробкой, в гнездах которой расположены всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны. Поршень 1, движущийся в цилиндре возвратно-поступательно, осуществляет всасывание из колпака 6 и нагнетание в трубу. Привод поршня от электромотора через кривошипно-шатунный механизм.

Для компенсации давления и равномерности подачи жидкости в нагнетательный трубопровод применяется воздушный колпак 5.

Рис. 7. Схема поршневой машины простого действия

Скорость поршня ограничена действием возникающих инерционных сил, что затрудняет непосредственное соединение его с высокооборотным приводом. Из-за непостоянства скорости поршня в цилиндре машины подача нагнетаемой жидкости неравномерна. Машины этого типа обладают высокой всасывающей способностью, что позволяет создавать высокое давление нагнетания.

Под общим названием роторных машин объединяется обширный класс машин, которые в то же время относятся к машинам объемного типа и являются по существу разновидностью поршневых машин.

Преимущество ротационных машин - равномерность подачи жидкости; компактность и простота конструкций при относительно высоких производительностях; отсутствие рабочих клапанов и динамическая уравновешенность, позволяющая использовать высокоскоростной привод.

Недостатки ротационных машин - большие потери на трение и в связи с этим повышенный износ узлов и деталей, приводящий к снижению сроков межремонтного пробега и необходимости наличия запасных деталей и т, д.