Соловьев В.С., Смородин А.С. Стационарные машины и установки

Подождите немного. Документ загружается.

Основные преимущества типовых характеристик в том, что каждый

тип турбомашин имеет только одну характеристику, не зависящую

от геометрических размеров, частоты вращения и плотности

текучего.

С изменением частоты вращения рабочего колеса точки

напорной характеристики (параметры режимов) подчиняются

зависимостям (48) и являются сходственными, а кривые,

соединяющие их, называются кривыми пропорциональности.

Уравнения этих кривых получаются из уравнений (48) исключением

частоты вращения n. Кривая пропорциональности напоров имеет вид:

.)(

HH 

(51)

Зависимости (48) справедливы при постоянстве значений

КПД на сходственных режимах, но при изменении частоты вращения в

относительно узких пределах, так как механические потери в

сальниках и подшипниках почти не зависят от частоты вращения.

Рис.25. Универсальная характеристика

турбомашины

С уменьшением частоты вращения мощность лопастной машины

уменьшается практически пропорционально n

, поэтому доля

механических потерь при значительном уменьшении частоты

вращения резко возрастает.

Экспериментально полученные зависимости Н%=%f (Q) и

%=%F(Q) для различных частот получили название универсальных

характеристик турбомашины (рис.25). Кроме зависимостей Н%=%f(Q),

при различных частотах вращения нанесены линии одинаковых

КПД. Такие характеристики дают полное представление о связи

параметров H, Q,  и n.

Вопросы для самопроверки

1.7Сделайте вывод формулы для теоретического напора H

лопастной машины [6].

2.7Что понимается под теоретической подачей Q

лопастной

машины [3]?

3.7Как влияет угол наклона лопаток 

на выходе из рабочего

колеса на теоретический напор [3]?

4.7Объясните природу потерь напора в машине. Как они

влияют на напорную характеристику [3,6]?

5.7Как влияют на напорную характеристику машины утечки

жидкости [3,6]?

6.7Начертите индивидуальную характеристику радиальной

машины [6].

7.7Приведите выражения и объясните сущность критериев

подобия лопастных машин [3,4].

8.7Что понимается под безразмерными характеристиками

лопастных машин? Приведите зависимости для коэффициентов

давления, подачи и мощности [4].

9.7Что понимается под удельной частотой вращения

лопастной машины? Сделайте вывод формулы для ее определения

[3,4].

10.7Что понимается под универсальными характеристиками

турбомашины [4]?

3. РАБОТА ТУРБОМАШИН НА ВНЕШНЮЮ СЕТЬ

Из напорной характеристики турбомашины видно, что напор

и производительность не могут быть произвольно заданы

независимо друг от друга. При заданной скорости вращения

рабочего колеса эти величины регламентируются индивидуальной

характеристикой, из которой видно, какую удельную полезную работу

(напор) машина способна обеспечить при определенной величине

производительности.

С другой стороны, характеристика внешней сети при данном

сопротивлении показывает, какая удельная работа (напор) требуется

для транспортирования того или другого количества текучего.

Очевидно, характеристика турбомашины и характеристика внешней

сети связаны между собой.

3.1. Эксплуатационные режимы турбомашин

Имея действительную индивидуальную характеристику

турбомашины (полученную опытным путем), нетрудно построить в

этих же координатных осях характеристику внешней сети в том же

масштабе.

Параметры рабочего режима определяются точкой а

пересечения индивидуальной характеристики машины 1 (рис.26) ( в

Рис.26. К определению рабочего режима вентилятора (а) и насоса (б)

координатах р-Q – для вентиляторов и H-Q – для насосов) и

характеристики внешней сети I.

При изменении характеристики внешней сети (например, при

увеличении сопротивления сети – характеристика II) рабочий режим

переместится в точку а

. Если характеристики не пересекаются, то

машина не имеет рабочего режима (например, при работе

центробежного насоса, максимальный напор которого меньше

геодезической высоты Н

). При этом насос не сможет поднять воду

на геодезическую высоту. Поэтому при выборе насосов необходимо,

чтобы его напор был больше геодезической высоты.

Устойчивость работы турбомашины – важное условие ее

нормальной эксплуатации. Изменение режимов работы возникает

при изменении сопротивления сети или частоты вращения

турбомашины, что выводит систему из равновесия.

Из рис.26 видно, что при монотонно падающей

индивидуальной характеристике турбомашины всегда получается

одна точка пересечения с характеристикой внешней сети и будет

обеспечен устойчивый ра6очий режим установки.

Условием обеспечения устойчивого режима является

выполнение неравенства [4]:



(52)

где H

и H – соответственно напор, необходимый для перемещения

жидкости в сети и создаваемый турбомашиной; Q

и Q – расход

жидкости в сети и подача машины.

В случае, если характеристика турбомашины имеет две и

более точек пересечения с характеристикой сети (рис.27), то ее

режим работы может быть неустойчивым, ибо под влиянием каких-

либо мгновенных колебаний параметров установки режим работы

может переходить из точки а в точку в или в точку б.

Таким образом, в системе «машина – сеть» при наличии

неустойчивой ветви а-б-в (рис.27,7а) и с-с

(рис.27,7б) возникают

автоколебания – помпаж (неустойчивая работа, сопровождающаяся

резкими, толчкообразными периодическими изменениями давления

и расхода, приводящими к гидравлическим ударам в сети). Помпаж

вызывает повышенные напряжения в элементах насоса, вибрации

рабочих лопастей и ротора и ускоряет выход оборудования из строя.

Явление помпажа может возникнуть не только в насосах, но и в

других турбомашинах (вентиляторах, компрессорах), работающих на

внешнюю сеть при наличии неустойчивого участка характеристики

Рис.27. К определению устойчивого

и экономичного режима работы

турбомашины: характеристики

турбомашины

и внешней сети пересекающиеся в трех (а)

и двух (б) точках

турбомашины. Неустойчивым участком характеристики является та ее

часть, где восходящий участок характеристики машины проходит круче

характеристики сети, т.е. не выполняется условие (52).

Шахтные центробежные вентиляторы обладают плавно

изменяющимися характеристиками, работают на шахтную сеть без

геодезической высоты и всегда имеют устойчивые режимы.

Шахтные осевые вентиляторы могут иметь неустойчивые

режимы работы при наличии впадин и разрывов в их напорных

характеристиках (рис.27,7а).

Кроме устойчивости, к рабочим режимам лопастных машин

предъявляется требование экономичности, которая оценивается КПД. С

изменением подачи турбомашины ее КПД может принимать значения от

нуля до 

max

. Экономичными считаются режимы, при которых 77

min

В теории лопастных машин используются два метода

определения 

min

. В первом методе 

min

7=7(0,840,85) 

max

, во втором

задаются конкретным его значением с учетом уровня развития

турбомашиностроения. В настоящее время для вентиляторов главного

проветривания принято 

min

7=70,6 [4].

Участок характеристики лопастной машины, режимы

которого удовлетворяют условиям экономичности и устойчивости,

называется рабочей частью. Для центробежных насосов и

вентиляторов рабочая часть характеристики определяется только

условиями экономичности.

Для осевых вентиляторов часть экономичных режимов

оказывается неустойчивой. На аэродинамической характеристике

осевого вентилятора (кривая 1, рис.27,7а) экономичные режимы

расположены между точками в и с, что обусловлено кривой КПД –

2. Однако устойчивыми являются режимы правее точки а на кривой

1, поэтому рабочей частью аэродинамической характеристики

вентилятора будет участок а-с.

3.2. Регулирование турбомашин

При эксплуатации турбомашин возникает необходимость

изменения режима работы для изменения производительности или

поддержания ее постоянной величиной.

Все способы регулирования сводятся к изменению напорных

характеристик машин и сети, во-первых, изменением характеристики

внешней сети, т.е. искусственным увеличением сопротивления

трубопроводов или изменением числа и характеристик потребителей

текучего, во-вторых, изменением характеристики машины, что

достигается регулированием скорости вращения вала, поворотом и

числом лопастей рабочего колеса, поворотом лопаток на

направляющем аппарате перед колесом, уменьшением внешнего

диаметра рабочего колеса машины (с помощью объемных закрылков

небольшой длины, закрепленных на выходных кромках лопаток,

путем подрезки концов лопаток рабочих колес у насосов, путем

замены рабочего колеса вентилятора геометрически подобным

другого диаметра), изменением площади активной части живого

сечения рабочего колеса (изменением ширины рабочего колеса,

перемещением входного патрубка, заглушкой межлопаточных

каналов колеса) и подсосом воздуха во всасывающей линии насоса.

Качество способов регулирования наиболее полно

оценивается приведенными годовыми затратами на эксплуатацию

конкретной установки с данным устройством.

3.3. Совместная работа турбомашин

на внешнюю сеть

Когда давление или подача, создаваемые одной

турбоустановкой, недостаточны, переходят к совместной работе

нескольких турбомашин на одну сеть. При этом существуют два

варианта – параллельная и последовательная работа машин. При

параллельной работе текучее от нескольких машин поступает в

общую сеть. При последовательной – подача одной машины

проходит через другую и получает дополнительную энергию.

Последовательная работа применяется для увеличения

давления (напора) во внешней сети. При этом подача машин

одинакова, а давление (напор) равен сумме напоров отдельных

машин.

Рассмотрим два случая:

1.7Машины расположены непосредственно рядом (рис.28,7а).

Складывая ординаты характеристик 1 и 2, получим суммарную

напорную характеристику 17+72, пересечение которой с

характеристикой внешней сети I дает совместный рабочий режим в

точке А. Точки А' и А" – рабочие режимы отдельных машин при

совместной работе, а точки А

и А

– рабочие режимы при раздельной

работе на ту же сеть.

2.7Машины расположены друг от друга на расстоянии

(рис.28,7б). Для получения суммарной напорной характеристики

вначале теоретически заменяют турбомашину 1 (находящуюся в

точке С с прилегающим к ней трубопроводом СВ) эквивалентной

машиной 1' (расположенной в точке В рядом с машиной 2), т.е.

приводят турбомашины в общую точку В. Для этого строится

характеристика 1' вычитанием из характеристики турбомашины 1

при одних и тех же Q ординаты характеристики 1' трубопровода

СВ , т.е. напор, расходуемый на подъем жидкости и преодоление

сопротивления трубопровода. Суммарная характеристика

получается сложением ординат характеристик 1' и 2. Точка А

пересечения суммарной характеристики машин с характеристикой

Рис.28. Последовательная работа турбомашин при их расположении

в одном месте (а) и на расстоянии (б)

внешней сети I определяет рабочий режим последовательно

работающих турбомашин, а точки А' и A" – рабочие режимы

отдельных турбомашин 1 и 2.

Хорошая эффективность работы при последовательном

включении достигается при использовании турбомашин с

одинаковыми подачами.

КПД последовательно включенных насосов определяется из

выражения

 

)/()/(

или

1000

2211













HHQg

(53)

где 

и 

–КПД машин; N

и N

– потребляемая мощность.

КПД вентилятора

2211







(54)

Параллельная работа турбомашин применяется для

увеличения подачи во внешнюю сеть. При этом напоры одинаковы,

а производительности складываются.

Рассмотрим два случая:

1.7Машины расположены рядом (рис.29,7а). Суммарная

характеристика машин определяется сложением абсцисс напорных

характеристик 1 и 2 при одинаковых напорах. Пересечение

Рис.29. Параллельная работа турбомашин при их расположении

рядом(а) и на расстоянии (б)

полученной характеристики с характеристикой 1 сети (точка А)

определяет рабочий режим совместно работающих машин, а точки А'

и А" – рабочие режимы отдельных машин.

Суммарная подача параллельно включенных машин всегда

меньше суммы подач тех же машин, работающих отдельно на такие

же трубопроводы.

2.7Машины расположены на расстоянии (рис.29,7б). Для

построения суммарной характеристики машины 1 и 2 с

прилегающими к ним трубопроводами II и III заменяют

эквивалентными машинами 1 и 2. Дальнейшее построение

суммарной характеристики производится аналогично, как и для

рядом расположенных машин. При этом А – рабочий режим

совместно работающих машин, А' и A" – рабочие режимы отдельных

эквивалентных машин 1' и 2", A

и А

– рабочие режимы реальных

машин 1 и 2.

КПД параллельно работающих турбомашин

2211







(55)

Хорошая эффективность работы при параллельном

включении достигается с использованием турбомашин с

одинаковыми напорами.

Вопросы для самопроверки

1.7Как определяются параметры эксплуатационного,

рабочего режима турбомашины при работе на внешнюю сеть [4]?

2.7Отчего происходит изменение режимов работы

турбомашины? Как обеспечить устойчивость работы турбомашины

[4,6]?

3.7Объясните причину возникновения помпажа при работе

турбомашины [4].

4.7Каково условие экономичной эксплуатации

турбомашины [4,6]?