Lopatka ( lopatka ) je část lopatkových strojů určená ke změně parametrů plynu nebo kapaliny v nich .
Mezi lopatkami a lopatkami není žádný zvláštní rozdíl v konstrukčních prvcích a způsobech aplikace, ale při použití těchto konceptů se lopatky častěji nazývají lopatky, jejichž šířka není menší než čtvrtina jejich délky.
Stroje nebo mechanismy vybavené oběžnými koly s namontovanými lopatkami nebo lopatkami, v závislosti na typu zdroje energie pro jejich pohyb v proudu kapaliny nebo plynu, mohou být tlakové ( kompresory , ventilátory , dmychadla , čerpadla ) nebo pohonné ( turbíny , větrné turbíny ). mlýny , hydraulické a pneumatické pohony).
U dmychadel pohybují proudění lopatky nebo lopatky. Při pohonu - proudění kapaliny nebo plynu uvádí lopatky nebo lopatky do pohybu.
U hnacích strojů nebo mechanismů je princip činnosti lopatek podobný principu činnosti lopatek pohyblivé části větrného mlýna.
Lopatky jsou pevně připevněny k rotoru , což je rotační hřídel . Rotor je připojen k nějakému mechanismu, který během otáčení vykonává užitečnou práci. Za pracovní tekutinu ve mlýně je považován proud vzduchu . Proud přiváděného vzduchu se pohybuje ve směru osy otáčení rotoru. Lopatky frézy jsou upevněny tak, že jejich rovina je pootočena vzhledem k ose montáže o určitý úhel . Tento úhel v aerodynamice se nazývá úhel náběhu.
Čepel stojí v cestě pohybu vzduchu. Když s ním proud narazí, zpomalí se a změní směr, obtéká ho, jak je znázorněno na obrázku. V tomto případě se oblast se zvýšeným tlakem vzduchu objeví poblíž předního povrchu čepele a oblast se sníženým tlakem se objeví poblíž zadního povrchu. Velikost tlakového rozdílu dP závisí na mnoha parametrech, jako je rychlost vzduchu, úhel náběhu, tvar povrchu.
V důsledku rozdílu tlaku na povrchy začne na lopatku působit síla P , směřující podél normály k její rovině. Protože je lopatka pevně upevněna na rotoru a nemůže vykonávat axiální pohyby, působí na ni podpěrná reakční síla N , vedená podél osy rotoru ve směru opačném k pohybu proudění. Celková síla, když se tyto dvě síly sečtou, je síla F , směřující kolmo k ose rotoru. Protože tato síla působí na lopatku, vzniká krouticí moment M , který způsobuje otáčení rotoru. Mechanismus spojený s rotorem vykonává užitečnou práci.
V případě větrného mlýna je pokles tlaku přes lopatku malý a pro zvýšení síly P se plocha zvětší, protože síla P \u003d dP S , kde dP je průměrný pokles tlaku, S je plocha čepel.
Způsob, jak zvýšit sílu P , a tím užitečnou práci celé instalace, je zvýšit tlakovou ztrátu dP . Zvýšení tlakové ztráty na vstupu do a na výstupu lopatkového zařízení vyžaduje uspořádání několika lopatek na hřídeli, radiálně uspořádaných v jedné kruhové řadě. Taková kruhová řada nebo kotouč s lopatkami vějířovitými se nazývá expanzní stupeň nebo tlakový stupeň.
V závislosti na velikosti poklesu tlaku na hřídeli může existovat několik tlakových stupňů.
Nožové stroje jako nejdůležitější prvek obsahují kotouče uložené na hřídeli, vybavené profilovanými lopatkami. Disky se v závislosti na typu a účelu stroje mohou otáčet zcela rozdílnými rychlostmi , od jednotek otáček za minutu u větrných turbín a mlýnů až po desítky a stovky tisíc otáček za minutu u motorů s plynovou turbínou a turbodmychadel.
Lopatky moderních lopatkových strojů mají v závislosti na účelu, úkolu, který toto zařízení plní a prostředí, ve kterém pracují, velmi odlišnou konstrukci. Vývoj těchto konstrukcí lze vysledovat při srovnání lopatek středověkých mlýnů - vodních a větrných mlýnů, s lopatkami větrné turbíny a vodní elektrárny .
Konstrukce lopatek je ovlivněna parametry, jako je hustota a viskozita média, ve kterém pracují. Kapalina je mnohem hustší než plyn, je viskóznější a prakticky nestlačitelná. Proto se tvar a rozměry lopatek hydraulických a pneumatických strojů velmi liší. Vzhledem k rozdílu v objemech při stejném tlaku může být povrch lopatek pneumatických strojů několikanásobně větší než lopatky hydraulických.
K dispozici jsou pracovní, rovnací a rotační nože. Kromě toho mohou mít kompresory vodicí lopatky, stejně jako vstupní vodicí lopatky, a turbíny mohou mít trysku a chlazené lopatky.
Každá lopatka má svůj vlastní aerodynamický profil. Obvykle připomíná křídlo letadla . Nejvýznamnější rozdíl mezi lopatkou a křídlem je v tom, že lopatky pracují v proudu, jehož parametry se po jeho délce značně mění.
Podle provedení profilové části se lopatky dělí na lopatky konstantních a variabilních průřezů . Čepele konstantního průřezu se používají pro stupně, u kterých délka čepele není větší než jedna desetina středního průměru stupně. U turbín vysokého výkonu jsou to zpravidla lopatky prvních vysokotlakých stupňů. Výška těchto lopatek je malá a činí 20–100 mm.
Lopatky s proměnným průřezem mají v následujících fázích proměnlivý profil a plocha průřezu se postupně zmenšuje od kořenové části k vrcholu. V lopatkách posledních kroků může tento poměr dosáhnout 6–8. Lopatky s proměnným průřezem mají vždy počáteční zkroucení, tj. úhly tvořené přímkou spojující okraje sekce ( tětivy ) s osou turbíny, nazývané úhly sekcí. Tyto úhly jsou z důvodů aerodynamiky různě výškově nastaveny s plynulým nárůstem od kořene k vrcholu.
U relativně krátkých lopatek jsou úhly víření profilu (rozdíl mezi montážními úhly obvodové a kořenové sekce) 10–30 au lopatek posledních stupňů mohou dosáhnout 65–70.
Vzájemná poloha sekcí po výšce lopatky při vytváření profilu a poloha tohoto profilu vzhledem k disku je montáž lopatky na disk a musí splňovat požadavky aerodynamiky, pevnosti a vyrobitelnosti .
Čepele jsou většinou vyrobeny z předtvarovaných polotovarů . Používají se také způsoby výroby čepelí přesným litím nebo přesným lisováním . Moderní trendy ve zvyšování výkonu turbín vyžadují zvětšení délky lopatek posledních stupňů. Vytvoření takových lopatek závisí na úrovni vědeckých úspěchů v oblasti aerodynamiky proudění, statické a dynamické pevnosti a dostupnosti materiálů s potřebnými vlastnostmi.
Moderní titanové slitiny umožňují vyrábět čepele dlouhé až 1500 mm . Ale v tomto případě je omezením síla rotoru, jehož průměr se musí zvětšit, ale pak je nutné z důvodu aerodynamiky zmenšit délku listu, aby se poměr zachoval, jinak se zvětší délka listu. čepel je neúčinná. Proto existuje hranice délky čepele, za kterou nemůže efektivně fungovat.
Hlavní prvky čepeleKonstrukce ocasních spojů a tedy i stopek lopatek jsou velmi různorodé a používají se na základě podmínek pro zajištění potřebné pevnosti, s přihlédnutím k vývoji technologií pro jejich výrobu v podniku vyrábějícím turbíny. Typy stopek: ve tvaru T, ve tvaru houby, vidlice, jedle atd.
Žádný typ připojení ocasu nemá zvláštní výhodu oproti druhému - každý má své vlastní výhody a nevýhody. Různé továrny vyrábějí různé typy připojení ocasních ploch a každá z nich používá své vlastní výrobní techniky .
Hlavní typy čepelí: 1. T-stopka; 2. Stopka houby; 3. Vidlicová stopka; 4. Stopka vánočního stromkuLopatky turbínového rotoru jsou spojeny do paketů s články různých provedení: bandáže přinýtované k lopatkám nebo vyrobené ve formě polic (pevný frézovaný obvaz); dráty připájené k lopatkám nebo volně vložené do otvorů v profilové části lopatek a přitlačované k nim odstředivými silami; pomocí speciálních výstupků svařených k sobě po montáži lopatek na disk.
Montážní prvky čepele: 1. Pírka čepele ; 2. Police; 3. Stopka; 4. Obvazová trubiceÚčelem lopatek turbíny je přeměnit potenciální energii stlačené páry na mechanickou práci . V závislosti na provozních podmínkách v turbíně se délka jejích rotorových lopatek může pohybovat od několika desítek do jednoho a půl tisíce milimetrů. Na rotoru jsou lopatky uspořádány stupňovitě, s postupným narůstáním délky a změnou tvaru povrchu. V každém stupni jsou lopatky stejné délky umístěny radiálně k ose rotoru. To je způsobeno závislostí na parametrech, jako je průtok, objem a tlak.
Při rovnoměrném průtoku je tlak na vstupu do turbíny maximální a průtok minimální. Při průchodu pracovní tekutiny lopatkami turbíny se vykonává mechanická práce, tlak klesá, ale objem se zvětšuje. V důsledku toho se zvětšuje povrch pracovní čepele a v souladu s tím i její velikost. Například délka lopatky prvního stupně parní turbíny o výkonu 300 MW je 97 mm, posledního 960 mm.
Účelem lopatek kompresoru je změna počátečních parametrů plynu a přeměna kinetické energie rotujícího rotoru na potenciální energii stlačeného plynu. Tvar, rozměry a způsoby upevnění lopatek kompresoru na rotoru se příliš neliší od lopatek turbíny. V kompresoru se při stejném průtoku plyn stlačuje, jeho objem se zmenšuje a tlak se zvyšuje, proto je na prvním stupni kompresoru délka lopatek větší než na posledním.
Motor s plynovou turbínou má jak kompresor, tak lopatky turbíny. Principem činnosti takového motoru je stlačování vzduchu potřebného ke spalování pomocí lopatek turbodmychadla, jeho nasměrování do spalovacího prostoru a po zapálení palivem mechanická práce zplodin hoření na lopatkách turbíny umístěných na stejný hřídel jako kompresor. To odlišuje motor s plynovou turbínou od jakéhokoli jiného stroje, kde jsou buď dmychací lopatky kompresoru, jako u kompresorů a dmychadel všeho druhu, nebo lopatky turbíny, jako v elektrárnách s parní turbínou nebo ve vodních elektrárnách.
Ve srovnání s lopatkami parních a plynových turbín pracují lopatky hydraulických turbín v prostředí s nízkými otáčkami, ale vysokými tlaky. Zde je délka lopatky malá vzhledem k její šířce a někdy je šířka větší než délka v závislosti na hustotě a specifickém objemu kapaliny. Lopatky hydraulických turbín jsou často přivařeny k disku nebo mohou být vyrobeny zcela s ním.
Lopatky větrných turbín pracují v proudu s nízkým tlakem, ale s dost velkým prouděním vzduchu a vysokou rychlostí. Proto je poměr délky lopatky k průměru rotoru poměrně velký. U strojů s vstřikovacími lopatkami ( vrtule letadel a vrtulníků ) není v konstrukci lopatek žádný zvláštní rozdíl.
Zřejmě prvním předmětem připomínajícím špachtli vzhledem i způsobem aplikace by mohlo být veslo . Podle některých historiků se vesla začala používat ještě před domestikací koní. Plachta , která se také používala k pohybu po vodě, byla také prototypem pádla pro zamýšlený účel. Navíc je veslo názorným příkladem vstřikovací (kompresorové) lopatky a plachta je turbínová (poháněcí) lopatka.
Za první lopatkové stroje lze považovat lopatky větrných nebo vodních kol prvních mlýnů upevněné na nápravách. Jsou prototypy moderních lopatkových zařízení.
Zmínky o zařízeních poháněných do rotace proudem, který na ně teče, se nacházejí v dokumentech z doby starověkého Říma . Hrdina Alexandrie , který žil v 1. století našeho letopočtu. E. vyrobil takzvaný aeolipil , mechanismus připomínající svým designem parní turbínu. Nedočkal se ale přílišné distribuce a používal se hlavně při stavbě různých mechanických hraček. Postupem času byl eolipil zapomenut úplně.
Jeden z prvních lopatkových strojů testoval v akci největší z vynálezců starověku - Archimedes ze Syrakus . Jeho zvedací šnek , později nazývaný " Archimédův šroub ", se používá již třetí tisíciletí v zařízeních pro různé účely.
Evropské, arabské, čínské a mnohé další civilizace také používaly různé druhy strojů na zvedání vody ( norias ), vodní a větrné mlýny.
V 19. století začali vědci zobecňovat zkušenosti s používáním disků s lopatkami a lopatkami, analyzovat je a snažit se je klasifikovat. Ruský akademik Leonard Euler , opírající se o díla Leonarda da Vinciho , Bernoulliho , Newtona , Leibnize a mnoha dalších, položil základy teorie lopatkových strojů, vyčlenil nezávislou disciplínu, která popsala hlavní hydropneumaticko-mechanická schémata provozu lopatkové zařízení.
Navzdory skutečnosti, že bylo napsáno velké množství prací o teorii a konstrukci lopatkových strojů používaných v plynných i kapalných médiích, výzkum v této oblasti technologie stále pokračuje.
V budoucnu je možné využít tlak světla ve slunečních plachtách ve vesmíru . S největší pravděpodobností budou tyto plachty také upravené listy umístěné radiálně na rotoru.
Turbíny a mechanismy s turbínami ve složení | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Typy |
| ||||||||||
Vozidla | |||||||||||
Konstrukční prvky |
| ||||||||||