- •Введение
- •Понятие лопаточной машины и основные схемы течения рабочего тела в проточной части
- •1.1. Понятие лопаточной машины
- •1.2. Классификация лопаточных машин
- •1.3. Основные требования к лопаточным машинам
- •1 Лекция 2.4. Обозначения направлений, плоскостей, скоростей в лм
- •1.5. Принцип действия лопаточных машин
- •1.6.2. Двумерная схема течения рабочего тела в лм
- •1.6.3. Трёхмерная схема течения рабочего тела в лм
- •1.6. Схемы течения рабочего тела в лм
- •1.6.1. Одномерная схема течения рабочего тела в лм
- •2 Лекция 3. Основные уравнения, описывающие движение рабочего тела в лм
- •2.1. Уравнение неразрывности
- •2.2. Уравнение сохранения энергии в механической форме в абсолютном движении
- •2 Лекция 4.3. Уравнение сохранения энергии в тепловой форме в абсолютном движении
- •2.4. Уравнение сохранения энергии в механической форме в относительном движении
- •2.5. Уравнение сохранения энергии в тепловой форме в относительном движении
- •§ 2.6. Уравнение количества движения
- •§2.7. Уравнение моментов количества движения
- •2.8. Пример использования уравнения моментов количества движения
§2.7. Уравнение моментов количества движения
Из теоретической механики известно, что равнодействующая всех сил R, действующих на тело массой mT и скоростью сT, отстоящее от оси вращения на расстоянии r, создаёт крутящий момент относительно оси О-О.
Рис. 2.21.
В лопаточных машинах для скорости некоторой частицы потока с рассматривают обычно осевую, радиальную и окружную составляющие: сa, сr, сu. Момент создаёт только окружная составляющая сu.
Крутящий момент – это изменение момента количества движения, отнесённое ко времени, за которое произошло это изменение.
Рассмотрим поток рабочего тела. Ограничим рассмотрение контрольным объёмом, который охватывает контрольная поверхность. В некоторый зафиксированный момент времени t контрольная поверхность равна F, в момент времени t+dt – F’.

Рис.2.22. Рис.2.23.
Разобьём весь
контрольный объём на z
элементарных струек. Рассмотрим одну
струйку. Считаем поток стационарным.
Положение 1-2
соответствует моменту времени t,
1’-2’ –
моменту времени t+dt.
Скорости на входе и выходе
и
имеют окружные составляющие
и
.
Осевые и радиальные составляющие
присутствуют, но они не влияют на момент.
Равнодействующая
всех сил
относительно оси О-О создаёт крутящий
момент
Проследим перемещение элементарной
струйки за времяdt.
Поскольку поток стационарный, то dm1
= dm2
= dm.
Течение между сечениями 1’
и
2 разбиваем
на n
частей. Произвольная частица из этих n
частиц имеет массу dmi,
,
скорость
,
окружную составляющую скорости
и располагается на радиусеri.
Запишем уравнение крутящего момента
для элементарной струйки:

Поскольку поток
стационарен, то сi
не меняется во времени, поэтому
![]()
Учтём, что
- массовый расход рабочего тела через
элементарную струйку.
![]()
Таким образом, получено уравнение момента количества движения для элементарной струйки.
Для всего потока (т.е. для всех z элементарных струек):

На поток действуют силы со стороны поверхностей F и f, они и создают крутящие моменты:
(11)
Это уравнение моментов количества движения в интегральной форме для стационарного потока: сумма крутящий моментов относительно оси О-О от сил, действующих на поток со стороны контрольной поверхности F и поверхностей обтекаемых тел f, равна разности секундных моментов количества движения вытекающего и втекающего рабочего тела.
2.8. Пример использования уравнения моментов количества движения
Р
Лекция
6
|
Вырежем элементарный ЛВ. Он имеет z лопаток, его толщина равна da. Построим средние линии межлопаточных каналов. Средняя линия межлопаточного канала – это совокупность центров окружностей, вписанных в межлопаточный канал. |
Рис.2.24. |
Выделим элементарный контрольный объём 1 – 1’ – 2’ – 2 толщиной da.Этот объём ограничен поверхностями (1– 1’), (1’–2’), (2’– 2), (2-1), пов.5, пов.6.
|
р1 и р2 - это давление действует по нормали к поверхности, т.е. по радиусам. Рn = рn’ т.к. ЛВ является осесимметричной фигурой и состоит из z аналогичных контрольных объёмов.
Расход через
контрольный объём
Рассмотрим силы, действующие на рабочее тело контрольного объёма. |
Рис. 2.25. |
Сила трения Т<<PP, ею пренебрегаем.
RЭЛ.Л – сила, с которой одна элементарная лопатка действует на поток.
Также давление по шести поверхностям создаёт 6 сил давления; каждой силе соответствует свой момент:
М1 (пов.1– 1’) - силе от давления р1;
М2 (пов.2’– 2) - силе от давления р2;
М3 (пов.1’–2’) - силе от давления р’б;
М4 (пов.2-1), - силе от давления рб;
М5 (пов.5) - силе от давления рб.п.;
М6 (пов.6) - силе от давления р’б.п.;
МЭЛ.Л - создаётся силой Rэл.л.
Запишем уравнение количества движения для элементарного объёма. Суммарный момент равен
![]()
Рассмотрим моменты в левой части уравнения.
М1 равен 0, т.к. р1 направлена по радиусам, нет плеча силы.
М2 равен 0 по аналогичным причинам.
М3 и М4 взаимно компенсируют друг друга.
М5 равен 0, т.к. силы давления действуют параллельно оси.
М6 равен 0 по аналогичным причинам.
Итак, получаем, что
крутящий момент от силы, с которой
элементарная лопатка действует на
поток, равен ![]()
Поскольку в ЛВ zЛ лопаток, то можно выделить zЛ аналогичных контрольных объёмов, и для каждого контрольного объёма уравнение будет аналогичным, следовательно, момент от всего элементарного ЛВ в zЛ раз больше.
![]()
Учтём, что
;
.
Тогда
(12)
Умножим все члены полученного уравнения на :
![]()
Заметим, что
,
,
а
- мощность на окружности ЛВ (название
по ГОСТ). Это мощность, которая необходима
для привода элементарного ЛВ с угловой
скоростью.
Тогда:
![]()
Разделим все члены
уравнения на
,
заметим, что
.
Lu – это удельная работа на окружности рабочего колеса. Для компрессоров она называется теоретическим напором и обозначается НT. Это удельная работа, которая передаётся от лопаток РК к рабочему телу. В окончательном виде формула такова:
(13)
Теперь рассмотрим ЦСТ (как наиболее общий случай турбины)
Проведём аналогичные
рассуждения и получим почти аналогичные
результаты. Различие одно, но существенное.
При рассмотрении турбины нас интересуют
силы и крутящий момент, которые появляются
на лопатках РК под воздействием потока
.
В силу третьего закона Ньютона
.
Формула (12) в этом случае примет вид:
.
Умножим все члены
уравнения на ;
учтём, что
:
![]()
- это мощность,
которая появляется на элементарном
лопаточном венце под воздействием
рабочего тела.
Разделим все члены
последнего уравнения на
:
(14)
- удельная работа
на окружности РК, которую совершает
рабочее тело в РК турбины.
Анализ формул
,![]()

Несомненное достоинство этих формул в том, что их использование не требует знания распределения давления по поверхности лопаток, а только кинематические параметры на входе и выходе РК.
Если
,
то механическая работа подводится к
рабочему телу. Если
,
то рабочее тело совершает механическую
работу.Эти формулы дают возможность анализа, за счёт чего можно повысить НТ и LU.
Проанализируем возможности повышения теоретического напора НТ

с повышением растёт НТ при неизменных значениях остальных параметров;
с повышением D2 растёт НТ при неизменных значениях остальных параметров;
с повышением c2u растёт НТ при неизменных значениях остальных параметров.
|
Рассмотрим, каким образом можно увеличить c2u. Из рисунка видно, что c2u растёт от 123.
Следовательно,
необходимо изменять конфигурацию
лопаток ЛВ. С ростом лопаточного угла
на выходе из РК
|
Рис. 2.26. |
|
Также можно повысить НТ, сделав c1u<0 Для того, чтобы получить такой треугольник скоростей на входе в РК, необходимо поставить входной направляющий аппарат для закрутки потока вспять вращению. |
Рис. 2.27. |
Проанализируем возможности повышения удельной работы на окружности РК
.
Lu увеличивается с повышением при неизменных значениях остальных параметров;
Lu увеличивается с повышением D1 при неизменных значениях остальных параметров;
Lu увеличивается с повышением c1u при неизменных значениях остальных параметров.
Как можно увеличить c1u?
С уменьшением 1 увеличивается окружная составляющая абсолютной скорости с1 - c1u.
Можно увеличить Lu, сделав c2u отрицательным.




