Лекция 3. Лопастные гидромашины
Основные этапы развития лопастных гидромашин
Подливное водяное колесо и простейшее ветряное колесо являются древнейшими двигательными устройствами, работающими по принципу лопастных машин.
Теоретические основы расчета гидравлических лопастных машин были заложены Даниилом Бернулли и Леонардом Эйлером. Большую роль сыграл труд Д. Бернулли, вышедший в 1733 г., «Гидравлика, или записка о силах и движении жидкостей».
В 1750 г. венгерским ученым Сегнером была изобретена реактивная гидравлическая турбина – так называемое «сегнерово колесо». Л. Эйлер в 1754 г. Выпустил труд «Более полная теория машин, приводимых в движение действием воды», где дал теорию сегнерова колеса и разработал общие положения теории лопаточных гидравлических машин. Там же Эйлером была высказана идея о применении турбины, состоящей из направляющего аппарата и рабочего колеса.
XIX век характеризуется бурным развитием и распространением лопаточных машин. Лопаточные насосы, вентиляторы, гидравлические и паровые турбины получили особенное широкое распространение в конце XIX века в связи с развитием быстроходных электродвигателей и электрических генераторов.
Развитие газовых турбин было задержано отсутствием жаропрочных материалов и высокоэффективных компрессоров. Большой вклад в развитие газовых турбин сделали русские ученые и инженеры. В 1892 г. П.Д. Кузьминским был разработан проект, и была построена первая в мире газовая турбина непрерывного действия. Большое значение для развития паровых турбин имели труды шведского инженера Густава Лаваля и английского инженера Чарльза Парсона.
Развитие авиации обусловило создание винтов – лопаточных машин-движителей. Велика заслуга Н.Е. Жуковского в деле создания лопаточных машин и, в частности, винтов. Созданная им в 1890-1900 гг. теория подъемной силы крыла стала основой для расчета не только крыльев самолетов, но и лопастей турбин, винтов и насосов.
В СССР производство паровых турбин, центробежных насосов, гидротурбин было начато еще в 1921 г. по плану ГОЭЛРО. В настоящее время во всех отраслях советской техники применяются лопаточные машины.
Важную роль в лопаточные машины играют в авиационной технике. Газотурбинный двигатель – двигатель, имеющий в качестве обязательных составных частей турбину и компрессор, – является основным типом современных авиационных двигателей. Создание жидкостных ракетных двигателей потребовало применения центробежных и осевых насосов для подачи топлива и турбин для провода насосов.
Расчет и конструирование современной лопаточной машины требуют большого комплекса знаний. В целом ряде научных и конструкторских коллективов успешно разрабатываются вопросы теории и практики лопаточных машин.
Основные свойства лопастных машин.
Рассмотрим, какими же особенностям и преимуществами перед другими типами машин обладают лопастные машины, и что обусловило их чрезвычайно широкое применение.
Перечислим основные, наиболее общие, свойства лопастных машин.
1. Непрерывность действия. Лопаточные машины – машины непрерывного, а не циклического действия, они пропускают в единицу времени большое количество рабочего тела; поэтому они обладают хорошим удельным показателем – удельной массой, удельным объемом и т.п.
2. Высокие скорости рабочего органа. Рабочие колеса лопаточных машин могут иметь большие окружные скорости. Чем больше будет окружная скорость, тем больше будет работа, приходящаяся на единицу расхода рабочего тела, как это следует из уравнения Эйлера. Предел увеличению окружных скоростей ставит прочность материала рабочего колеса, так как при больших скоростях на рабочее колесо действуют громадные инерционные усилия.
В настоящее время максимальные окружности скорости центробежных компрессоров приближаются к 500-600 м/сек, а окружные скорости турбин, работающих в более тяжелых температурных условиях, к 350-450 м/сек. При таких окружных скоростях рабочие колеса малоразмерных турбин и компрессоров имеют частоту вращения порядка 3000-10000 1/сек. Наибольшую частоту вращения (до 10000 1/с) имеют турбины холодильных машин. Благодаря высоким значениям частоты вращения лопаточные машины имеют, как правило, небольшие значения удельной массы, т.е. массы, приходящейся на единицу мощностей.
3. Возможность достижения в одном агрегате практически неограниченных мощностей и расходов рабочего тела. Так, в настоящее время турбина является двигателем, способным развивать наибольшие мощности в течение продолжительного времени. Мощность отдельных паровых турбин и гидротурбин доходит до 500-800 тысяч кВт. В то же время, в приборостроении применяются турбины, мощность которых измеряется несколькими ваттами.
Большие промышленные вентиляторы прокачивают тысячи кубических метров воздуха в секунду, а водяные насосы – десятки кубических метров воды в секунду; в то же время, имеются лопаточные насосы с производительностью меньше 0,1 л/сек.
4. Возможность достижения высокого коэффициента полезного действия. Коэффициент полезного действия, т.е. отношение полезной мощности к располагаемой, у современных лопаточных машин может достигать значения 0,8-0,9. Лопаточные машины авиационных газотурбинных двигателей – турбины и осевые компрессоры – имеют значение к.п.д, в отдельных случая превосходящие 0,9.
5. Уравновешенность. Принципиально возможно обеспечить работу лопаточной машины без действия неуравновешенных сил инерции. Неуравновешенные силы инерции в лопаточных машинах могут появиться только в результате погрешностей при изготовлении. Практически они сводятся к допустимому минимуму динамической балансировкой роторов машин. В ТНА ЖРД ротор можно сбалансировать с точностью до 
Нм. Уравновешенность машины является ценным эксплуатационным свойством. Нагрузка на опоры, раму, фундамент резко уменьшаются, и вся конструкция может быть выполнена более легкой. В этом заключается существенное преимущество лопаточных машин перед поршневыми машинами, имеющими кривошипно-шатунный механизм, который всегда неуравновешен.
6. Высокая надежность и простота обслуживания, являющиеся ценными эксплуатационными качествами лопаточных машин.
7. Удобство соединения с электродвигателями, генераторами и друг с другом. Лопаточные машины как машины вращательного движения легко соединяются с электромашинами. Кроме того, привод лопаточной машины, потребляющий мощность (компрессор, насос), от лопаточной машины-двигателя (турбина) легко осуществить непосредственным их объединением. Такие агрегаты широко распространены в технике. Настоящий курс посвящается теории и расчету агрегата как раз такого вида – турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя. Правда, в отдельных случаях в ТНА ЖРД применяются шестеренчатый перебор между насосами и турбиной, но эта схема не типична для современных ЖРД.
Этим не исчерпываются все характерные свойства лопаточных машин. Выше были указаны только наиболее существенные и общие черты для всех типов лопаточных машин. В каждом частном случае применение лопаточной машины существуют свои особенности, преимущества и недостатки ее по сравнению с другими типами машин.
