1. Maszyny przepływowe wirnikowe i niewirnikowę.

Maszyny przepływowe charakteryzują się ciągłym przepływem płynu. Maszyny przepływowe są to w zasadzie maszyny wirnikowe, w których energia mechaniczna przekazywana jest od silnika do płynu, lub od płynu do generatora

Do maszyn przepływowych nie wirnikowych zalicza się strumienice, w których podnoszenie i przemieszczanie jednego płynu odbywa się na skutek wykorzystania energii kinetycznej drugiego płynu.

2. Maszyny robocze i silniki.

Maszyny wirnikowe dzielą się na dwie zasadnicze grupy.

1.Maszyny służące do zamiany energii mechanicznej silnika na energię płynu, nazywamy maszynami roboczymi. W przypadku cieczy są to pompy, a w przypadku gazów - sprężarki, dmuchawy i wentylatory. Energia mechaniczna dostarczana wirnikowi jest przekazywana przez łopatki do płynu. Zmiana momentu pędu (zmiana krętu) płynu między wlotem do wirnika a wylotem z niego powoduje przemieszczanie płynu od środka wirnika do jego obwodu.

2.Maszyny służące do zamiany energii płynu na energię mechaniczną noszą nazwę silników. W przypadku wody są to turbiny wodne, w przypadku gazów - turbiny cieplne. Działanie tych maszyn polega na tym, że ruch płynu powstaje na skutek różnicy ciśnień, a obroty wirnika są wywołane reakcyjnym działaniem strug płynu na łopatki. Istnieją też turbiny natryskowe, w których energia kinetyczna jest przekazywana na łopatki wirnika przez swobodne strugi płynu (turbina Peltona).

3. Podział maszyn wirnikowych.

W zależności od kształtu wirnika maszyny wirnikowe dzielą się na promieniowe, osiowe i diagonalne (mieszane). W pierwszym przypadku kierunek przepływu płynu przez wirnik jest promieniowy (odśrodkowy lub dośrodkowy). W drugim zaś przypadku kierunek przepływu płynu jest osiowy. W maszynie diagonalnej płyn wlatuje do wirnika osiowo a wypływa ze znaczną prędkością osiową i promieniową.

Podział maszyn wirnikowych na podstawowe grupy i rodzaje:

Maszyny przepływowe:

I. Wirnikowe.

1. Wirnikowe maszyny robocze: -sprężarki, -pompy, -wentylatory, -śmigła, śruby.

2. Silniki wirowe -turbiny parowe, -turbiny gazowe, -turbiny wodne, -turbiny wiatrowe.

II. Strumieniowe.

1. Strumienice: -wodne, -gazowe.

2. Silniki strumieniowe: -rakietowe.

III. Silniki turboodrzutowe. -jednoprzepływowe, -dwuprzepływowe.

2.1. Zasadnicze elementy maszyny wirnikowej.

Zasadniczym elementem każdej maszyny wirnikowej jest wirnik z umieszczonymi na nim łopatkami o odpowiednich profilach. Zespół tych łopatek nazywany jest układem łopatkowym lub aparatem wirnikowym. W przepływie przez taki układ zachodzi proces zmiany jednej lub kilku form energii niesionej płynem na energię ruchu obrotowego wirnika lub wirnik oddaje energię do przepływu.

Drugim współpracującym z wirnikiem elementem jest stojanowy układ łopatkowy związany z nieruchomym kadłubem tzw. łopatki kierownicze lub aparat kierowniczy.

Stopień maszyny wirnikowej tworzą zazwyczaj aparat kierowniczy i współpracujący z nim aparat wirnikowy.

2.2. Kinematyka przepływu przez wirnik.

Wektor prędkości określony w układzie współrzędnych związanym z aparatem stojanowym będziemy oznaczać przez C - wektor prędkości bezwzględnej, a wektor prędkości wyznaczony w układzie współrzędnych wirującym z układem łopatkowym wirnika przez W. Oba wektory związane są zależnością (ω = const.)

Powierzchnia prądu, po której poruszają się cząsteczki płynu w maszynach przepływowych, ma kształt leja. Prędkość C jest wymuszona przez jedną z nieskończonej ilości łopatek, jakie znajdują się na wirującej powierzchni prądu, posiadającej w związku z tym prędkość unoszenia
. Cząsteczka na powierzchni może przemieszczać się również stycznie do kształtu łopatki z prędkością
.
W przekroju merydionalnym: z, r wyróżniajmy składową merydionalną prędkości
. Jest ona sumą wektorową składowej promieniowej
i osiowej


=
+

W przekroju prostopadłym do osi maszyny: r,
(z=const) występują składowe
prędkości
i


=
+

2.3. Trójkąty prędkości.

Dla opisu zjawisk zachodzących w stopniu maszyny przepływowej wyróżniamy następujące charakterystyczne przekroje:

-dla maszyn promieniowych - płaszczyznę z = const,

-dla maszyn osiowych jest to powierzchnia cylindryczna o promieniu r = const,

Czynnik na wlocie do wirnika ma prędkość
o składowych
. Aby znaleźć składowe wektora prędkością przy przejściu do aparatu wirnikowego, do układu współrzędnych wirujących z prędkością W należy skorzystać graficznego rozwiązania

Łatwo zauważyć, że w układzie względnym:

Stopniem jednorodnym nazywać będziemy stopień, dla którego wektor prędkości wlotowej będzie równy wektorowi prędkości wylotowej (na przykład dla turbiny
. Założenie to odpowiada sytuacji, kiedy rozpatrujemy stopień pośredni w grupie stopni o zbliżonych charakterystykach.

Przyjmując następnie C_m - const. i
dochodzimy do pojęcia stopnia charakterystycznego, dla którego
.
3.1.Podstawy jednowymiarowej teorii maszyn wirnikowych.
Jednowymiarowy model przepływu oparty jest na założeniach:
-czynnik przepływający jest nieściśliwy i nielepki,
-wirnik ma nieskończoną ilość nieskończenie cienkich łopatek,
-w przepływie przez wirnik zachodzi symetria osiowa przepływu,
-czynnik jest wstępnie zawirowany.
Bilansując poszczególne elementy stopnia (bilans energii, pędu, masy) zakłada się jednorodny rozkład danej wielkości w przekrojach kontrolnych. W rzeczywistości mamy zawsze do czynienia z pewnym rozkładem prędkości, entalpii, ciśnienia, temperatury itd. wzdłuż wysokości kanału i w kierunku obwodowym.
3.2.Równanie ciągłości płynu.
Równanie ciągłości przepływu wynika z zasady zachowania masy. Dla wyodrębnionego w przestrzeni poruszającego się płynu obszaru V, ograniczonego zamkniętą powierzchnią płynną, warunek zachowania masy można wyrazić równaniem



Dla ruchu ustalonego płynu nieściśliwego, różniczkowe równanie ciągłości sprowadza się do postaci


Dla przepływu jednowymiarowego otrzymuje się


Równanie zachowania ilości ruchu (zasady pędu).
Równanie zasady zachowania pędu w postaci całkowej:


Równania Naviera-Stokesa w postaci różniczkowej:


Dla płynów doskonałych można zapisać równania
Eulera w postaci różniczkowej:

Równanie Bernoulliego jako pierwsza całka równania Eulera dla stacjonarnego przepływu jednowymiarowego ma postać: dla

3.4. Równanie Eulera dla maszyn przepływowych
Analogicznie do zasady zachowania pędu można wyrazić zasadę zachowania krętu.


gdzie wszystkie siły zostały pomnożone wektorowo przez wektor - promień
Zmiana parametrów przepływającego czynnika jest wywołana działaniem momentu sił zewnętrznych
, przy czym moment ten jest przenoszony na płyn przez łopatki wirnika.

Jeżeli przyjmie się że pola gęstości i prędkości są jednorodne lub uśrednione, to po uwzględnieniu równania ciągłości, tj.. równania powyżej otrzymuje się ostatecznie


Równanie to nosi nazwę podstawowego równania maszyn przepływowych (wirnikowych).
Strumień energii przekazywanej czynnikowi jest równy iloczynowi skalarnemu wektorów M i
. Dla przyjętej orientacji układu współrzędnych jedyna składowa tego iloczynu różna od zera będzie równa:


Związek określający pracę jednostkową :

został uzyskany jeszcze w 1754 roku przez Leonarda Eulera i nazywany jest głównym równaniem maszyn przepływowych lub równaniem Eulera.
4. Teoria podobieństwa w maszynach przepływowych.
Warunkiem podobieństwa geometrycznego dwóch wirników jest równość odpowiadających sobie kątów łopatkowych w obu wirnikach i stałe wartości stosunków odpowiadających sobie parametrów geometrycznych:


Warunek podobieństwa kinematycznego składa się z relacji:


Podobieństwo dynamiczne uwarunkowane jest stałością stosunków sił działających w
odpowiadających sobie punktach geometryczne i kinematyczne podobnych maszyn i
przepływów:


4.2. Liczby podobieństwa
Równanie Naviera - Stokesa w postaci bezwymiarowej


Liczba Strouhala:

Liczba Froude'a:

LiczbaEulera:

Liczba Macha:

Liczba Reynoldsa:

4.3. Liczby podobieństwa stosowane w szynach przepływowych

Liczba wydajności:

Liczba ciśnienia:

Liczbamocy

5.1. Klasyfikacja pomp.

Pompy są to maszyny robocze służące do podnoszenia cieczy (lub mieszanin cieczy z ciałami stałymi) z poziomu niższego na wyższy, albo też do przetłaczania cieczy ze zbiornika ssawnego o ciśnieniu niższym do zbiornika tłocznego o ciśnieniu wyższym. W procesie pompowania pompa otrzymuje energię mechaniczną od silnika napędowego i przenosi ją na przepływającą przez nią ciecz za pośrednictwem organu roboczego (tłoka, rotora, wirnika itp.). Pompy, są maszynami hydraulicznymi biernymi, ponieważ pobierają energię z zewnątrz.

Działanie pompy polega na wytwarzaniu różnicy ciśnień między stroną ssawną (wlotem do pompy) a tłoczną (wylotem z pompy). W zależności od sposobu wytwarzania tej różnicy ciśnień pompy dzieli się na wyporowe i wirowe. Działanie pompy wyporowej polega na wypieraniu określonej dawki cieczy z obszaru ssawnego (dopływowego) w wyniku odpowiedniego ruchu (przesunięcia, obrotu lub ruchu złożonego z przesunięcia i obrotu) organu roboczego (tłoka, nurnika, skrzydełka, rotora, itp.) do obszaru tłocznego. Warunkiem działania pompy wyporowej jest odpowiednio szczelne oddzielenie obszaru ssawnego od tłocznego.

Działanie pompy wirowej polega na tym, że organ roboczy pompy wirowej (wirnik), osadzony na obracającym się wale, powoduje zwiększenie krętu bądź krążenia cieczy przepływającej przez jego wnętrze. Jest to istotna cecha odróżniająca pompy wirowe od wyporowych pomp rotacyjnych. W przypadku unieruchomienia organu roboczego następuje przepływ wsteczny.

Pompy.

I. Wyporowe:

1.O ruchu postępowo-zwrotnym organu roboczego: -tłokowe(wirnikowe), -wielotłokowe, -przeponowe.

2. O ruchu obrotowo-zwrotnym organu roboczego: -skrzydełkowe.

3. O ruchu obrotowym organu roboczego: -łopatkowe, -zębate, -krzywkowe, -śrubowe, -ślimakowe, -labiryntowe.

4. Inne: -o obiegowym ruchu organu roboczego, -o procesyjnym ruchu organu roboczego.

II. Wirowe(przepływowe):

1. Krętne: -odśrodkowe, -helikoidalne, -diagonalne, -śmigłowe, -odwracalne.

2. Krążeniowe: -z bocznymi kanałami, -peryferyjne, -z pierścieniem wodnym.

Zasada działania pomp wirnikowych.

Działanie pompy polega na tym, iż obracający się wirnik, dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu łopatek, powoduje przepływ cieczy od strony ssawnej ku stronie tłocznej. Zmniejszenie ciśnienia u wlotu pompy wywołuje zjawisko ssania, a energia mechaniczna przekazywana przez wirnik powoduje zwiększenie krętu cieczy przepływającej przez jego

wnętrze.

W zależności od ukształtowania pola prądu rozróżnia się pompy: odśrodkowe, helikoidalne, diagonalne, śmigłowe.

Pompy odśrodkowe są to pompy o promieniowym wypływie z wirnika złożonego z szeregu łopatek o krawędzi wlotowej równoległej lub nachylonej względem osi wirnika; wypływ cieczy z wirnika jest spowodowany działaniem siły odśrodkowej na cząstki płynącej cieczy. Pompy odśrodkowe mogą być jednostopniowe i wielostopniowe. Pompy helikoidalne charakteryzują się ukośnym przepływem przez wirnik. Zaopatrzone są w kierownicę bezłopatkową i spiralny bądź też cylindryczny kanał zbiorczy. Budowane są jako pompy jednostopniowe, przeważnie z dopływem osiowym, oraz dwustopniowe o równoległym połączeniu wirników.

Pompy diagonalne są to pompy o przepływie promieniowo-osiowym, z wirnikiem zaopatrzonym w kilka łopatek o obu krawędziach nachylonych względem osi wirnika oraz z osiowo-symetryczną kierownicą łopatkową, tworzącą jedną całość z kadłubem pompy.

Pompy diagonalne są budowane przeważnie w układzie pionowym jako pompy jedno-i wielostopniowe.

Pompy śmigłowe zwane pompami o osiowym przepływie przez wirnik, są zaopatrzone w ułopatkowany wirnik o kształcie zbliżonym do śmigła wieloramiennego i kierownicę łopatkową umieszczoną poza wirnikiem. Łopatki wirnika mogą być stałe lub nastawialne. W pompach śmigłowych o regulacji wstępnym krętem stosuje się przed wirnikiem łopatki kierownicze nastawialne. Pompy śmigłowe są w zasadzie jednostopniowe, zaś w szczególnych przypadkach dwu- a nawet trzystopniowe.

5.4. Wysokość podnoszenia pompy.

Użyteczna (efektywna) wysokość podnoszenia H_u jako suma przyrostów wysokości (jednostkowej energii) między przekrojami króćca wlotowego i wylotowego pompy, wyrażana jest wzorem

Wyrażenie to wskazuje, iż w celu określenia całkowitej wysokości podnoszenia

pompy należy do manometrycznej wysokości podnoszenia H_m obliczonej za pomocą wzoru (S-l), dodać wysokość przyrostu prędkości na wlocie i wylocie z pompy.

Teoretyczną wysokością podnoszenia pompy
nazywamy sumę użytecznej wysokości podnoszenia H_u i strat hydraulicznych
w pompie, spowodowanych tarciem cieczy o ścianki kanałów przepływowych, zawirowaniami itp.

W pompach wyporowych stosuje się równoważne pojęcie wewnętrznej wysokości podnoszenia H_i=
.

5.5. Wydajność, moc, sprawność pompy

Wydajność teoretyczna pompy
jest to natężenie przepływu w pompie idealnie szczelnej, bez odprowadzenia i użytkowania cieczy pompowanej poza króćcem tłocznym i przy teoretycznej wysokości podnoszenia
.

Wydajnością rzeczywistą pompy
nazywamy natężenie przepływu w przekroju króćca wylotowego. Wydajność rzeczywistą
jest mniejsza od teoretycznej o straty w pompie na skutek przecieków cieczy przez szczeliny między elementami pompy i najczęściej oznacza się symbolem V.

Wydajność nominalna pompy V„ jest to wydajność wyznaczona przez producenta, przy której należy pompę eksploatować i która powinna być określona na tabliczce znamionowej. Wydajność nominalna V„ występuje przy nominalnej wysokości podnoszenia H„ i nominalnej prędkości obrotowej n pompy.

Wydajność optymalna pompy
jest to wydajność, przy której pompa osiąga maksymalną sprawność całkowitą
. W dobrze skonstruowanej pompie optymalna wydajność pokrywa się z wydajnością obliczeniową oraz nominalną.

Wydajnością wewnętrzną pompy Vi nazywamy natężenie przepływu przez wirnik pompy wirowej

Teoretyczna moc pompy lub moc pompy netto N w wynosi

gdzie: H_u - użyteczna wysokość podnoszenia pompy, m, V - strumień objętości wody,[m³/s].

Moc wyrażona wzorem (ISrM) nie uwzględnia strat powstałych w pompie (hydraulicznych, mechanicznych i objętościowych). Te straty ujmuje sprawność pompy
=0,6 - 0,8, wobec czego moc na wale pompy wynosi N_w=l,3*N

Moc silnika napędzającego pompę musi być jeszcze większa ze względu na sprawność silnika.

Mocą na wale (sprzęgle) pompy N_w nazywamy moc pobieraną przez pompę, równą mocy dostarczonej przez silnik napędowy, lub przez przekładnię pośredniczącą między silnikiem a pompą. Moc na wale pompy N_w otrzymujemy przez bezpośredni pomiar momentu napędzającego pompę, pośrednio przez pomiar lub obliczenie poboru mocy N_s, przez silnik

elektryczny, wtedy

Mocą użyteczną (efektywną) N_u nazywamy moc netto zużytą na zwiększenie energii pompowanej cieczy. Moc N_u określa się ze wzoru
N_u = gpH_uV_rz

5.7.Wpływ liczby łopatek wirnika na pracę właściwą i wysokość podnoszeniapompy.

Wprowadzony przez C. Pfleiderera współczynnik (poprawka) P uwzględnia zmniejszenie jednostkowej pracy wirnika przy skończonej liczbie łopatek. A więc jest współczynnikiem zmniejszenia lub niewykorzystania (niedoboru) mocy, określającym jednocześnie zmniejszenie wysokości podnoszenia. Współczynnik P za pomocą wzoru

5.8. Charakterystyki pomp

Przy eksploatacji pompy znajomość jej nominalnych parametrów pracy jest nie­wystarczająca, ponieważ pompa bardzo rzadko pracuje przy nominalnych parametrach, podlegając regulacji narzucanej przez układ (w pompach wirowych dostosowanie się pompy do warunków układu następuje samoczynnie). Z tych względów konieczna jest znajomość zmian wartości parametrów pompy w warunkach pracy odbiegających od nominalnych. Stosuje się, więc tzw. charakterystyki pomp, które określają współzależności między wartościami parametrów pompy w warunkach jej pracy. Jest to konieczne zwłaszcza przy współpracy kilku pomp w układzie.

Charakterystyki powinny, zatem stanowić nieodłączną część dokumentacji techniczno-ruchowej każdej pompy.

Regulacja pomp wirnikowych.

Regulacja przy stałej prędkości obrotowej wirnika.

Regulacja dławieniem, regulacja przez nastawienie łopatek kierownicy wlotowej , regulacja przez nastawienie łopatek wirnika.

Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej wirnika.

6.2. Spiętrzenie całkowite i wydajność wentylatora.

Spiętrzeniem całkowitym wentylatora
nazywamy różnice ciśnień całkowitych zmierzonych w przekrojach wylotu (na tłoczeniu p_ct) i wlotu (na ssaniu p_cs)

gdzie:

Wydajnością V albo strumieniem objętości wentylatora nazywamy objętość gazu na

wlocie- na ssaniu V_s.

6.3. Podział wentylatorów.

Analizując przepływ w przekroju merydionalnym przez wirniki wentylatorów można wyodrębnić następujące kierunki przepływu gazu:^;

-osiowe,

-promieniowe (odśrodkowe, dośrodkowe),

-diagonalne (półosiowe, półpromieniowe),

-osiowo-promieniowe.

Dalszymi kryteriami podziału są:

-wielkość wytwarzanego spiętrzenia (wentylatory niskociśnieniowe
< 720Pa, średniociśnieniowe 720 Pa <
< 3600 Pa, wysokociśnieniowe
> 3600 Pa),

-sposób zabudowy wentylatora w instalacji (ssące, ssąco-tłoczące, tłoczące),
zastosowanie (ogólnego przeznaczenia, specjalnego przeznaczenia, morskie,
przeciwwybuchowe, kopalniane i inne),

-ilość stopni w wentylatorze (jednostopniowe, wielostopniowe).

---