2.

ZÁKLADNÍ ROVNICE LOPATKOVÝCH STROJŮ

2.3 . . . . . . . . . . . . . .
2.5 . . . . . . . . . . . . . .
2.8 . . . . . . . . . . . . . .
2.10 . . . . . . . . . . . . . .
2.15 . . . . . . . . . . . . . .
2.16 - 2.32 . . . . . . . . .
reklama
Návrhové programy lopatkových strojů – VIKLAN – výpočtové programy na míru
2.2
autor:
ŠKORPÍK, Jiří – LinkedIn.com/in/jiri-skorpik
datum vydání:       
Září 2009; Září 2022 (2. vydání)
název:
Základní rovnice lopatkových strojů
sborník:
provenience:
Brno (Česká republika)
email:
skorpik.jiri@email.cz

Copyright©Jiří Škorpík, 2006-2022
Všechna práva vyhrazena.

Klíčová slovaKapitola: Rovnice pro výpočet sil působící na plochy stroje od proudu tekutiny
2.3

Rovnice pro výpočet sil působící na plochy stroje od proudu tekutiny

Síly působící od proudu tekutiny na plochy stroje lze určit z věty o změně hybnosti. Její speciální tvar se používá i k výpočtu sil působící na lopatky v lopatkové mříži od proudu tekutiny, což je klasická úloha v lopatkových strojích.

Věta o změně hybnosti

Kontrolní objem

Tlakové síly

Hmotnostní síly

Síly od těles

Síly působící od proudu tekutiny na plochy stroje lze určit z věty o změně hybnosti (druhý Newtonův zákon). Podle věty o změně hybnosti je změna hybnosti tekutiny v čase rovna součtu vnějších sil působící na tekutinu v kontrolním objemu. V případě aplikace tohoto zákona na tekutinu uzavřené v kontrolním objemu VC (Obrázek 1) připadají v úvahu jako síly vnější: tlakové síly od okolní tekutiny na hranicích kontrolního objemu Fp, tíha tekutiny v kontrolním objemu Fh, a síly působící od těles uvnitř a na hranicíh kontrolního objemu Fb. Změna hybnosti tekutiny uvnitř kontrolního objemu je také rovna rozdílu součinu rychlosti a hmotnostního toku mezi vstupem a výstupem z kontrolního objemu.

Věta o změně hybnosti
1: Věta o změně hybnosti
VC [m3] kontrolní objem; SC [m2] plocha hranice kontrolního objemu; V [m·s-1] rychlost pracovní tekutiny; M [N·s] hybnost tekutiny uvnitř kontrolního objemu; t [s] čas; Fb [N] výslednice sil působící na pracovní tekutinu od těles uvnitř a na hranici kontrolního objemu; Fh [N] tíha pracovní tekutinu uvnitř kontrolního objemu; Fp [N] síly od tlaku okolní tekutiny na povrchu kontrolního objemu; m [kg·s-1] hmotnostní tok; g [m·s-2] gravitační zrychlení; ar [m·s-2] odstředivé zrychlení; aC [m·s-2] Coriolisovo zrychlení; p [Pa] tlak; m [kg] hmotnost. Odvození rovnice za předpokladu ustáleného proudění tekutiny kontrolním objemem je uvedeno v Příloze 11.
Klíčová slovaKapitola: Rovnice pro výpočet sil působící na plochy stroje od proudu tekutiny
2.4

Síla na lopatku

Kontrolní objem

Relativní rychlost

Rozteč lopatek

Rychlostní trojúhelník

Při výpočtu sil působící na lopatky lopatkového stroje jsou při defininování hranic kontrolního objemu cílem takové hranice, na kterých jsou známy hodnoty parametrů nutné pro výpočet pomocí věty o změně hybnosti. Proto je kontrolní objem na Obrázku 2 vymezen tak, aby procházel středem lopatkového kanálu, respektive hranice AD a BC byly od sebe vzdáleny o rozteč lopatek. Hranice AD a BC jsou očekávané proudnice relativních rychlostí W rychlostního trojúhleníku této lopatkové mříže. Lopatkové kanály jsou v jedné lopatkové mříži stejné, takže působení tlakových sil na hraních AD se vyruší s působením tlakových sil na hranicích BC. Na těchto hranicích se vyruší i hodnota integrace součinu absolutní rychlosti V a hmotnostního toku, viz Rovnice 2.

Síla působící na lopatku od proudu tekutiny
2: Síla působící na lopatku od proudu tekutiny
Rychlosti i síly jsou vektorové veličiny, ale šipka nad symboly rychlostí v rychlostním trojúhleníku se obvykle neuvádí. F [N] výslednice sil působící na lopatku; W [m·s-1] relativní rychlost; U [m·s-1] obvodová rychlost; m [kg·s-1] množství pracovní tekutiny protékající kontrolním objemem; s [m] rozteč lopatkové mříže. Odvození rovnice za předpokladu ustáleného proudění tekutiny kontrolním objemem je uvedeno v Příloze 12.

Válcová soustava souřadnic

Radiální síla

Obvodová síla

Axiální síla

Axiální ložisko

Typické pro vyšetření sil ve stupni lopatkového stroje je použití válcové soustavy souřadnic. Síla F ve válcové soustavě souřadnic má tři prostorové složky, a to složku v radiálním směru Fr, v obvodovém směru Fθ (tato síla vytváří kroutící moment) a v axiálním směru Fa (způsobuje namáhání rotoru v axiálním směru a zachycuje jí axiální ložisko) – zkráceně se označují tyto složky síly jako radiální, obvodová a axiální síla.

Střední aerodynamická rychlost

Síla působící na lopatku je přibližně kolmá na střední aerodynamickou rychlost v lopatkové mříži Wm, která je střední rychlostí relativních rychlostí na vstupu W1 a výstupu W2. Respektive lze dokázat (viz Rovnice 3), že výsledná síla působící na lopatku od proudu nestlačitelné tekutiny F je kolmá na střední aerodynamickou rychlost Wm při proudění beze ztrát.

Klíčová slovaKapitola: Rovnice pro výpočet sil působící na plochy stroje od proudu tekutiny
2.5
Definice střední aerodynamické rychlosti v lopatkové mříži a její vztah k vektoru síly působící na elementární lopatku (délka lopatky dr)
3: Definice střední aerodynamické rychlosti v lopatkové mříži a její vztah k vektoru síly působící na elementární lopatku (délka lopatky dr)
Wm [m·s-1] střední aerodynamická rychlost v lopatkové mříži; βm [°] úhel střední aerodynamické rychlosti; ε [°] úhel výslednice sil. Tato rovnice je odvozena pro elementární délku lopatek Δr a axiální lopatkové mříže v Příloze 13 a její platnost je omezena pro nestlačitelné proudění beze ztrát (izoentropické – index is).

Rovnice pro výpočet rozložení energie ve stupni lopatkového stroje

Meridiánový směr

Při návrhu rozložení energie, respektive její transformace ve stupni lopatkového stroje se vychází ze dvou směrů. Ve směru kolmém na meridánový směr se navrhuje rozložení Eulerovy práce, což je lokální hodnota vnitřní práce. V meridiánovém směru rozhoduje o vlastnostech stupně návrh stupně reakce, který popisuje rozdělení energetických transformací mezi stator a rotor stupně.

Eulerova práce (Obvodová práce)

Vnitřní práce

Ztráty

Eulerova turbínová rovnice

Eulerova práce nebo obvodová práce je prací tekutiny předaná lopatkám v okolí vyšetřované proudnice, viz Obrázek 4(b). Rozdíl oproti vnitřní práci stupně wi je v tom, že vnitřní práce stupně je průměrná hodnota práce veškeré pracovní tekutiny, která protéká stupněm (včetně mezer) a lze ji určit z kompletní energetické bilance stupně, viz Obrázek 4(a). Takže část tekutiny vykoná větší Eulerovu práci než jiná, ale jejich průměr je wi. U reálných stupňů je nevětší Eulerova práce v jádru proudu (na středním průměru lopatek), kde jsou nejmenší ztráty. Naopak u okrajů lopatek, respektive v blízkosti jejich pat a špic, je Eulerova práce nejmenší kvůli vysokým ztrátám třením a vnitřní netěsností. Eulerovu práci lze stanovit z rychlostních trojúhleníků na vyšetřované prouděnici, viz Rovnice 4(c) – Eulerova turbínová rovnice.

Klíčová slovaKapitola: Rovnice pro výpočet rozložení energie ve stupni lopatkového stroje
2.6
Rozdíl mezi Eulerovou prací a vnitřní prací stupně
4: Rozdíl mezi Eulerovou prací a vnitřní prací stupně
wi [J·kg-1] vnitřní práce stupně; wE [J·kg-1] Eulerova práce v okolí vyšetřované proudnice; q [J·kg-1] sdílené teplo s okolím; ω [°] úhlová rychlost. BST-hranice stupně; S-statorová řada lopatek; R-rotorová řada lopatek, ψ-proudnice. Odvození Eulerovy turbínové rovnice pro předpoklad stacionárního proudění a bez vlivu tíhy je v Příloze 14.

Eulerova účinnost (Obvodová účinnost)

Vnitřní účinnost

Podobným způsobem lze stanovit dvěma cestami účinnost stupně, buď k Eulerově práci (tzv. Eulerova účinnost, respektive obvodová účinnost) nebo vnitřní práci (tzv. vnitřní účinnost stupně), jako je provedeno v Úloze 4.

Stupeň reakce

Stator

Rotor

Hydraulický stroj

Stupeň reakce je definován jako poměr mezi změnou statické entalpie v rotorové řadě lopatek a změnou celkové entalpie stupně (Vzorec 5), či změnou statické entalpie stupně – zaleží na zvyklosti. Popisuje tedy rozložení energetické transformace mezi statorovou a rotorovou řadou lopatek stupně.

Definice stupně reakce
5: Definice stupně reakce
Klíčová slovaKapitola: Rovnice pro výpočet rozložení energie ve stupni lopatkového stroje
2.7
(a) definice stupně reakce; (b) zjednodušený vzorec stupně reakce pro hydraulické stroje, kdy lze počítat s přibližnou rovností změn entalpie a tlakové energie (Δh≈Δp·ρ-1). Δhs [J·kg-1] rozdíl mezi celkovou entalpií na vstupu do stupně a výstupu ze stupně; ΔhR [J·kg-1] rozdíl mezi statickou entalpií na vstupu do rotorové řady lopatek a výstupu z rotorové řady lopatek; Δps [Pa] rozdíl mezi celkovým tlakem na vstupu do stupně a výstupu ze stupně; ΔpR [Pa] rozdíl mezi tlakem na vstupu do rotorové řady lopatek a výstupu z rotorové řady lopatek; ρ [kg·m-3] hustota.

h-s diagram

Stupeň lopatkového stroje

Stupeň reakce se stanovuje ke konkrétnímu proudovému vláknu (poloměru) podobně jako Eulerova práce. Pro výpočet stupně reakce je důležitá znalost konstrukce h-s diagramu, ze kterého lze určit rozdíly měrných entlapií Δhs a ΔhR (viz Úloha 5, Úloha 6). h-s diagramy a popis jejich konstrukce jsou uvedeny na Obrázku 6. V případě hydraulických strojů lze stanovit požadované rozdíly tlaků Δps a ΔpR i z Bernoulliho rovnice pro relativní proud, viz Úloha 7 a Úloha 6.

h-s diagramy stupňů lopatkových strojů
6: h-s diagramy stupňů lopatkových strojů
vlevo-turbínové stupně; vpravo-stupně pracovních strojů. Tyto h-s diagramy jsou zkonstruovány za předpokladu adiabatického proudění bez vlivu tíhy. 1sw, 2sw označují celkový stav vzhledem k relativnímu pohybu na vstupu, respektive výstupu rotoru. Podrobný popis konstrukce h-s diagramů je uveden v Příloze 15.

Střední poloměr

Absolutní rychlost

Relativní rychlost

Ztráty

Většina stupňů je navrhována s proměnným stupněm reakce po výšce lopatek, přitom častým požadavkem při konstrukci stupně je stupeň reakce na středním poloměru kolem 0,5 (u radiálních stupňů i něco vyšší kvůli rozdílu obvodových rychlostí na rotoru), protože při maximální Eulerovy práci jsou absolutní rychlosti ve statorových kanálech přibližně stejné jako relativní rychlosti v rotorových kanálech, a tedy i rozložení ztrát mezi stator a rotor je rovnoměrné, viz Obrázek 7.

Klíčová slovaKapitola: Rovnice pro výpočet rozložení energie ve stupni lopatkového stroje
2.8
Příklad lopatkových kanálů axiálního stupně turbíny se stupněm reakce 0,5
7: Příklad lopatkových kanálů axiálního stupně turbíny se stupněm reakce 0,5
Při stejných rozdílech entalpií mezi statorem a rotorem jsou rychlostní trojúhleníky symetrické a i tvar lopatkových kanálů (A1A2). 1sw relativní celkový stav pracovní tekutiny na vstupu do rotoru.

Lavalova turbína

Peltonova turbína

Rovnotlakový stupeň (Akční stupeň)

Přetlakový stupeň (Reakční stupeň)

Nulový nebo jen velmi malý stupeň reakce mají Lavalovy turbíny a Peltonovy turbíny. Z pracovních strojů se používají nízké stupně reakce u některých typů ventilátorů. Při malém stupni reakce je tlaková síla působící na rotor také malá a proto se tyto stupně označují jako rovnotlakové nebo akční. Naopak na rotory stupňů s významným stupně reakce působí i větší tlaková síla na rotor a proto se označují jako přetlakové nebo reakční.

Axiální stupeň

Odtržení proudu

U axiálních stupňů se zvyšujícím stupněm reakce klesá prohnutí lopatek (klesá potřebná změna hybnosti) a tedy i jejich citlivost na odtržení proudu od profilu.

Rovnice pro výpočet rozložení rychlosti při ideálním proudění v lopatkovém stroji

Rovnice ideálního proudění jsou odvozeny pro proudění ideálních tekutin bez vnitřních ztrát. I když se jedná o rovnice ideálního proudění, tak jsou klíčové pro základní návrh průtočných částí lopatkových strojů, predikci vlastností, analýzu vlivu tvaru průtočných částí na vnitřní ztráty stroje, pochopení příčin hávarií nebo problémového chodu lopatkových strojů.

Potenciální proudění

Základními rovnicemi popisující rychlosti ideálního proudění jsou rovnice potenciálního proudění. Proudění je považováno za potenciální (znamená to, že rychlost lze vypočítat pouze pomocí souřadnic bodu podle potenciální funkce V=f(x, y, z) v případě pravoúhlé soustavy souřadnic, nebo podle funkce V=f(r, θ, a) v případě válcové soustavy souřadnic, kdy takové proudění označujeme jako osově symetrické potenciální proudění. Další veličiny ideálního proudění lze vypočítat z energetických rovnic a Eulerovy rovnice hydrodynamiky.

Klíčová slovaKapitola: Rovnice pro výpočet rozložení rychlosti při ideálním proudění v lopatkovém stroji
2.9

Rovnice osově symetrického potenciálního proudění

Pokud má být proudění potenciální, pak musí být rotor vektoru rychlosti v celém vyšetřovaném objemu roven nule, Rovnice 8(a). Aby proudění bylo považováno za osově symetrické, tak musí mít gradienty složek rychlosti v obvodovém směru ve valcové soustavě souřadnic rovny nule, viz Rovnice 8(b), protože obvodové souřadnice jsou uzavřené a rychlost v počátku osy obvodového směru musí být totožná s tou na konci souřadnic – jedná se o stejný bod, současně je tato rychlost nezávislá na stanovení počátku osy obvodového směru. Z těchto podmínek lze odvodit speciální Rovnice 8(c-h) pro rychlost, ale uvedené podmínky lze aplikovat i na další veličiny pracovní tekutiny.

8: Podmínky osově symetrického potenciálního proudění
θ [°] úhel průvodiče ve válcové soustavě souřadnic; C [m2·s-1] konstanta (například navrhovaná velikost součinu obvodové složky absolutní rychlosti Vθ na středním poloměru). Úprava rovnic je uvedena v Příloze 16.

Cirkulace rychlosti

Eulerova práce

Součin r·Vθ se nazývá cirkulace obvodové složky rychlosti, která je konstantní, takže má stejné vlastnosti jako potenciální vír [Škorpík, 2023, s. 1.40]. Jestliže je cirkulace konstantní, pak i rozdíl cirkulací před a za rotorem je konstantní a pak i podle rovnice Eulerovy práce (Rovnice 4) bude Eulerova práce potenciálního proudění konstantní po výšce lopatek, viz Úloha 8.

Spirální hrdlo

Bezlopatkový stator

Rovnice osově symetrické potenciálního proudění lze aplikovat i na spirální dráhy, například ve spirálních hrdlech (Úloha 9) nebo v bezlopatkových statorech (Úloha 10).

Eulerova rovnice hydrodynamiky

Gradinet tlaku

Při výpočtu další stavových veličin lze použít velmi efektivně i Eulerovu rovnici hydrodynamiky pro potenciální proudění, například článek Vnitřní tření tekutiny a vývoj mezní vrstvy [Škorpík, 2023b]. Z této rovnice lze mimo jiné vyčíst, že gradient tlaku potenciálního proudění bez vliv gravitačního zrychlení nemůže mít obvodovou složku, protože ji nemá ani gradient rychlosti, respektive kinetické energie, viz Úloha 8.

Klíčová slovaKapitola: Úlohy
2.10

Úlohy

Úloha 1:
Jakou silou je namáháno potrubí mezi přírubami od proudu kapaliny (viz obrázek)? Vnitřní průměr potrubí je 23 mm, výškový rozdíl mezi dolní a horní přírubou je 1,2 m, rozdíl statického tlaku v potrubí a venkovního (atmosférického tlaku) je 2 m vodního sloupce, rychlost proudění je 4 m·s-1, v potrubí proudí voda. Uvažujete proudění bez tření. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1.
d [m] průměr potrubí; pat [Pa] atmosférický tlak; z [m] výšková souřadnice.
1:   zadání:   d; z; zH2O; V 4:   výpočet:   Fh,x; A; m; p1; p2; Fp,x; Fx
2:   odvození:   rovnic pro Fx; Fy; Fz 5:   výpočet:   VC; m; Fh,z; Fpz; Fz
3:   odečet:   ρ; g; pat 6:   výpočet:   Fy
Popisek symbolů je v Příloze 1.
Úloha 2:
Stanovte sílu a její složky od proudu tekutiny působící na lopatku radiálního ventilátoru. Ventilátorem protéká 88,8 kg·h-1 vzduchu, tlak p1 před oběžným kolem je atmosférický, rozdíl tlaků mezi vstupem a výstupem oběžného kola je nevýznamný a počet lopatek oběžného kola je 52. Další parametry jsou: r1=32,5 mm, r2=37,5 mm, V1=3,4 m·s-1, V2=9,34 m·s-1, α2=18,4°. Šířka kola je 30 mm. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 2.
Rychlostní trojúhleník nízkotlakého radiálního ventilátoru
r [m] poloměr; α [°] úhel absolutní rychlosti.
Klíčová slovaKapitola: Úlohy
2.11
1:   zadání:   m; p1; z; r1; r2; V1; V2; α2; b 3:   výpočet:   V; Fθ
2:   výpočet:   V2r; Fp,r; Fr 4:   výpočet:   F
Popisek symbolů je v Příloze 2.
Úloha 3:
Vypočítejte sílu působící na lopatky rotoru Kaplanovy turbíny od proudu vody a tlak za rotorem p2. Poloměr rotoru u špic lopatek je 1850 mm, u pat lopatek 985 mm, obvodová složka absolutní rychlosti na středním kvadratickém poloměru lopatek je 15,3 m·s-1, axiální rychlost 13 m·s-1, otáčky turbíny jsou 230,8 min-1. Nad turbínou je 56 m sloupec vody. Tvary rychlostních trojúhleníků na středním poloměru jsou na přiloženém obrázku. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 3.
A [m2] průtočný průřez. Index h označuje patu lopatky, index m označuje střední kvadratický poloměr lopatky, index t označuje špici lopatky.
1:   zadání:   rt; rh; V; Va; V2; N; z 4:   výpočet:   rm; U; -W; W; W; Wm; βm; ε; Fa; F
2:   odečet:   ρ 5:   odečet:   pat; g
3:   výpočet:   A1; A2; Q; m; Fθ   výpočet:   V1; p1; p2
Popisek symbolů je v Příloze 3.
Úloha 4:
Vypočítejte Eulerovu práci a Eulerovu účinnost na středním poloměru axiálního stupně parní turbíny a vnitřní práci a účinnost tohoto stupně. Stupeň byl navržen 1D výpočtem má tedy prizmatické lopatky. Meridánová rychlost je konstantní (V0a=V2a). Izoentropický spád stupně je 21,3 kJ·kg-1. Vypočítané celkové ztráty stupně jsou 6 kJ·kg-1. Parametry rychlostních trojúhleníků na středním poloměru: V1=W2=148,68 m·s-1, V0=V2=W1=63,249 m·s-1, U1=U2=102,1 m·s-1. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 4.
Klíčová slovaKapitola: Úlohy
2.12
(a) řez stupněm; (b) průběh Eulerovy práce po výšce lopatek; (c) energetická bilance stupně v h-s diagramu. h [J·kg-1] entalpie; s [J·kg-1·K-1] entropie; wis [J·kg-1] vnitřní práce stupně při izoentropické expanzi (expanze beze ztrát); wE,is [J·kg-1] Eulerova práce při proudění beze ztrát; Lw [J·kg-1] vnitřní ztráty stupně. Index s označuje celkový stav.
1:   zadání:   Δhis; Lw; V1; W2; V0; V2; W1; U1; U2 3:   výpočet:   wi
2:   výpočet:   wE 4:   výpočet:   wis; ηE; ηi
Popisek symbolů je v Příloze 4.
Úloha 5:
Proveďte výpočet stupně reakce axiálního stupně parní turbíny. Znáte-li rychlostní trojúhelník. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 5.
Rychlostní trojúhleník parní turbíny v úloze
1:   zadání:   V1; V2; W1; W2 3:   výpočet:   wE; Δhs; R
2:   výpočet:   ΔhR    
Popisek symbolů je v Příloze 5.
Úloha 6:
Stanovte stupeň reakce radiálního ventilátoru s dopředu zahnutými lopatkami, jestliže zvýšení celkového tlaku ve ventilátoru je 135 Pa, hustota pracovního plynu je 1,2 kg·m-3, obvodová rychlost na výstupu z rotoru je 10 m·s-1 a obvodová rychlost na vstupu do rotoru 8,7 m·s-1. Lopatkové kanály rotoru jsou navrženy pro rovnost relativních rychlostí (W1=W2). Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 6.
Radiální ventilátor s dopředu zahnutými lopatkami
Klíčová slovaKapitola: Úlohy
2.13
1:   zadání:   Δps; ρ; U2; U1 3:   výpočet:   ΔhR; R
2:   výpočet:   Δhs    
Popisek symbolů je v Příloze 6.
Úloha 7:
Vypočítejte stupeň reakce Francisovy turbíny na jejím střední poloměru. Poloměr oběžného kola na vstupu je 1 m. Absolutní rychlost před oběžným kolem je 35 m·s-1, za oběžným kolem 12 m·s-1 (nemá obvodovou složku). Otáčky turbíny jsou 375 min-1. Úhel absolutní rychlosti je 20°. Výškový rozdíl mezi vstupem a výstupem z oběžného kola je 0,8 m. Hustota vody je 1000 kg·m-3. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 7.
Francisova turbína a její rychlostní trojúhelník
1:   zadání:   r1; V1; V2; N; α1; Δz, ρ 4:   odvození:   rovnice pro ΔpR
2:   odvození:   rovnice pro Δps 5:   odečet:   g; Lw,0-2; Lw,1-2
3:   výpočet:   U1; V; wE 6:   výpočet:   R
Popisek symbolů je v Příloze 7.
Úloha 8:
Vypočítejte parametry rychlostního trojúhleníku, tlak a stupeň reakce u paty, středním kvadratickém poloměru a špici lopatky Kaplanovy turbíny. Požadovaná Eulerova práce je 548 J·kg-1. Rozměry rotoru, otáčky, axiální rychlost na středním kvadratickém poloměru a tlak za rotorem jsou stejné jako v Úloze 3. Absolutní rychlost na výstupu z rotoru má pouze axiální směr. Stanovte také gradient tlaku před a za rotorem turbíny způsobený odstředivým zrychlením. Uvažujte potenciální proudění ideální kapaliny. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 8.
Průběhy stavových veličin a rychlostní trojúhleníky Kaplanovy turbíny
(a) očekávaný gradient tlaku před rotorem; (b) změny absolutních a relativních rychlostí na vyšetřovaných poloměrech; (c) vliv změny relativních rychlostí na tvar lopatkového kanálu, respektive zkroucení lopatky; (d) očekávaný průběh obvodové složky absolutní rychlosti před rotorem; (e) očekávaný průběh tlaku před rotorem; (f) očekávaný průběh stupně reakce po délce lopatek. β [°] úhel relativní rychlosti.
Klíčová slovaKapitola: Úlohy
2.14
1:   zadání:   wE; rt; rh; N; Va; V2; p2; ρ 6:   výpočet:   p1h; p1m; p1t
2:   výpočet:   rm; Uh; Um; Ut; V1θh; V1θm; V1θt 7:   výpočet:   Δps; ΔpRh; ΔpRm; ΔpRt; Rh; Rm; Rt
3:   výpočet:   V1h; V1m; V1t; α1h; α1m; α1t 8:   odvození:   rovnice pro grad p1
4:   výpočet:   W1θh; W1θm; W1θt; W1h; W1m; W1t; β1h; β1m; β1t 9:   odvození:   rovnice pro Δp1
5:   výpočet:   W2h; W2m; W2t; β2h; β2m; β2t    
Popisek symbolů je v Příloze 8.
Úloha 9:
Účelem spirálních hrdel radiálních strojů je odvod nebo přívod pracovní tekutiny od/k lopatkové části. Proudění v takovém hrdle má spirální dráhu. Na obrázku je řez radiálního ventilátoru s dozadu zahnutými lopatkami a spirálním hrdlem – navrhněte rozměry tohoto spirálního hrdla, jestliže mezi ním a rotorem je bezlopatkový difuzor. Stanovte tlak na výstupu z bezlopatkového difuzoru (mezi poloměry r2 a r3). Dokažte, že při proudění nestlačitelné tekutiny radiálním kanálem konstantní šířky b je spirální dráha logaritmickou spirálou. Diskutujte vliv vnitřního tření v tekutině na tvar spirální dráhy. Jaké je rozložení rychlosti a tlaku na výstupu ze spirálního hrdla? Uvažujte nestlačitelné potenciální proudění. Diskutujte vliv šířky hrdla na poloměr hrdla. Parametry ventilátoru jsou: R=0,65; r3=215 mm; r2=170 mm; r1=118,5 mm; b2=101,5 mm; b1=120 mm; N=1360 min-1. Zvýšení celkového tlaku ve ventilátoru je 500 Pa. Průtok vzduchu ventilátorem je 1200 m3·h-1 a jeho celkový tlak na sání je atmosférický při hustotě 1,2 kg·m-3. Řešení úlohy a další závěry jsou uvedeny v Příloze 9.
Spirální skříň
(a) rychlostní trojúhleníky; (b) průběh rychlosti na výstupu ze spirální skříně; (c) průběh tlaku na výstupu ze spirální skříně. Ψ-spírálová dráha absolutní rychlosti.
Klíčová slovaKapitola: Úlohy
2.15
1:   zadání:   R; r3; r2; r1; b2; b1; Δps; N; Q; p1s; ρ 5:   výpočet:   p3s; V; V3r; V3; p3
2:   odvození:   rovnice pro rθ 6:   důkaz:   α=konst.
3:   výpočet:   wE; U2; V; C 7:   diskuze:   o vlivu tření
4:   výpočet:   rθ pro vybrané θ 8:   diskuze:   rozložení rychlosti a tlaku na výstupu z hrdla
Popisek symbolů je v Příloze 9.
Úloha 10:
Navrhněte výstupní poloměr bezlopatkového difuzoru radiálního turbokompresoru, který je nakreslený na obrázku. Parametry stupně jsou: V=300 m·s-1, V2r=90 m·s-1, r2=33 mm, p2=200 kPa, t2=82,9 °C. Zvýšení tlaku ve statoru je 80 kPa. Pracovním plynem je vzduch. Zjistěte také, zda se mění úhel mezi absolutní rychlostí v bezlopatkovém difuzoru a její obvodovou složku (mezi poloměry r2 a r3). Uvažujte stlačitelné potenciální proudění. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 10.
Proudění za rotorem radiálního stupně v bezlopatkovém difuzoru
(a) sestava rotoru-bezlopatkového difuzoru a sacího a výstupního hrdla; (b) řez bezlopatkovým difuzorem; (c) absolutní rychlost na vstupu a výstupu z bezlopatkového difuzoru.
1:   zadání:   V; V2r; r2; p2; ΔpS; t2 4:   řešení:   r3 z m2=m3
2:   odečet:   h3; t3 z h-s diagramu 5:   výpočet:   α2; α3
3:   výpočet:   V3; ρ3 6:   porovnání:   α2 vs α3
Popisek symbolů je v Příloze 10.

Odkazy

ŠKORPÍK, Jiří, 2024, Technická termomechanika, engineering-sciences.education, Brno, engineering-sciences.education/technicka-termomechanika.html.
ŠKORPÍK, Jiří, 2023, Technická matematika, engineering-sciences.education, Brno, engineering-sciences.education/technicka-matematika.html.
ŠKORPÍK, Jiří, 2023b, Vnitřní tření tekutiny a vývoj mezní vrstvy, fluid-dynamics.education, Brno, fluid-dynamics.education/vnitrni-treni-tekutiny-a-vyvoj-mezni-vrstvy.html.
ŠKORPÍK, Jiří, 2023c, Proudění plynů a par tryskami, fluid-dynamics.education, Brno, fluid-dynamics.education/proudeni-plynu-a-par-tryskami.html.
ŠKORPÍK, Jiří, 2023d, Proudění plynů a par difuzory, fluid-dynamics.education, Brno, fluid-dynamics.education/proudeni-plynu-a-par-difuzory.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE