A penge ( lapát ) a lapátos gépek része , amely a bennük lévő gáz vagy folyadék paramétereinek megváltoztatására szolgál .
A pengék és a pengék között nincs különösebb különbség a tervezési jellemzőkben és az alkalmazási módokban, de ezen fogalmak használatában a pengéket gyakrabban pengéknek nevezik, amelyeknél a szélesség nem kisebb, mint a hosszuk negyede.
A lapátokkal vagy lapátokkal felszerelt járókerekekkel felszerelt gépek vagy mechanizmusok a folyadék- vagy gázáramban mozgatandó energiaforrás típusától függően lehetnek nyomásúak ( kompresszorok , ventilátorok , fúvók , szivattyúk ) vagy meghajtók ( turbinák , szélturbinák ). , malmok , hidraulikus és pneumatikus hajtások).
A fúvókban lapátok vagy lapátok mozgatják az áramlást. Hajtásban - a folyadék vagy gáz áramlása mozgásba hozza a lapátokat vagy lapátokat.
A meghajtó gépekben vagy mechanizmusokban a lapátok működési elve hasonló a szélmalom mozgó részének pengéjének működési elveihez.
A lapátok mereven vannak rögzítve a forgórészhez , amely egy forgó tengely . A forgórész valamilyen mechanizmushoz csatlakozik, amely forgás közben hasznos munkát végez. A malomban lévő munkaközeg levegőáramlásnak minősül . A beáramló levegő a forgórész forgástengelye irányába mozog. A malom lapátjai úgy vannak rögzítve, hogy síkjuk a rögzítési tengelyhez képest egy bizonyos szögben elforduljon . Ezt a szöget az aerodinamikában támadási szögnek nevezik.
A penge akadályozza a levegő mozgását. Amikor az áramlás nekiütközik, lelassul és irányt változtat, körbefolyik az ábrán látható módon. Ebben az esetben egy megnövekedett légnyomású terület jelenik meg a penge elülső felülete közelében , és egy csökkentett nyomású terület a hátsó felület közelében. A nyomáskülönbség dP nagysága számos paramétertől függ, mint például a légsebességtől, a támadási szögtől, a felület alakjától.
A felületekre nehezedő nyomáskülönbség miatt a pengére P erő hat , amely a síkjára irányul. Mivel a lapát mereven rögzítve van a forgórészen, és nem tud tengelyirányú mozgást végezni, az N támasztó reakcióerő hat rá , a forgórész tengelye mentén az áramlási mozgással ellentétes irányba. A teljes erő, ha ezt a két erőt összeadjuk, az F erő , amely merőleges a forgórész tengelyére. Mivel ez az erő hat a pengére, van egy M nyomaték , amely a forgórész forgását okozza. A rotorhoz kapcsolódó mechanizmus hasznos munkát végez.
Szélmalom esetén a lapáton kicsi a nyomásesés , és a P erő növelése érdekében a területet növeljük, mivel a P \u003d dP S erő , ahol dP az átlagos nyomásesés, S a a penge.
A P erő növelésének módja, és ezáltal az egész berendezés hasznos munkája, a dP nyomásesés növelése . A nyomásesés növelése a pengeberendezés bemeneténél és kimeneténél több lapát elrendezését igényli a tengelyen, sugárirányban egy körsorban elhelyezve. Az ilyen kör alakú sort vagy tárcsát, amelyben lapátokkal vannak elrendezve , tágulási fokozatnak vagy nyomásfokozatnak nevezzük.
A tengely nyomásesésének nagyságától függően több nyomásfokozat is lehet.
A pengegépek, mint legfontosabb elem, tengelyre szerelt tárcsákat tartalmaznak, amelyek profilos pengékkel vannak felszerelve. A tárcsák a gép típusától és rendeltetésétől függően teljesen eltérő sebességgel foroghatnak , a szélturbinák és malmok percenkénti fordulatszámától a gázturbinás motorok és turbófeltöltők percenkénti tíz- és százezer fordulatszámáig terjednek.
A modern lapátos gépek pengéi a céltól, az eszköz által végzett feladattól és a működési környezettől függően nagyon eltérő kialakításúak. Ezeknek a terveknek az evolúciója nyomon követhető, ha összehasonlítjuk a középkori malmok - víz- és szélmalmok - lapátjait egy szélturbina és egy vízi erőmű lapátjaival .
A pengék kialakítását olyan paraméterek befolyásolják, mint a közeg sűrűsége és viszkozitása , amelyben működnek. A folyadék sokkal sűrűbb, mint a gáz, viszkózusabb és gyakorlatilag összenyomhatatlan. Ezért a hidraulikus és pneumatikus gépek pengéinek alakja és méretei nagyon eltérőek. Az azonos nyomáson lévő térfogatkülönbség miatt a pneumatikus gépek lapátjainak felülete többszöröse lehet a hidraulikus gépek lapátjainak.
Vannak működő, egyengető és forgó pengék. Ezenkívül a kompresszorok rendelkezhetnek vezetőlapátokkal, valamint bemeneti vezetőlapátokkal, a turbinák pedig fúvókával és hűtött lapátokkal.
Minden penge saját aerodinamikai profillal rendelkezik. Általában egy repülőgép szárnyára hasonlít . A legjelentősebb különbség a penge és a szárny között az, hogy a lapátok olyan áramlásban működnek, amelynek paraméterei a hossza mentén nagyon eltérőek.
A profilrész kialakítása szerint a pengék állandó és változtatható szakaszú pengékre vannak osztva . Az állandó keresztmetszetű lapátokat olyan lépcsőkhöz használják, amelyekben a lapát hossza nem haladja meg a lépcső átlagos átmérőjének egytizedét. A nagy teljesítményű turbinákban ezek általában az első nagynyomású fokozatok lapátjai. Ezeknek a pengéknek a magassága kicsi és 20-100 mm.
A változtatható keresztmetszetű pengék a következő szakaszokban változó profilúak, és a keresztmetszeti terület fokozatosan csökken a gyökérszelvénytől a csúcsig. Az utolsó lépések lapátjaiban ez az arány elérheti a 6-8-at. A változtatható keresztmetszetű lapátoknak mindig van egy kezdeti csavarodása, vagyis a szakasz éleit ( húr ) a turbina tengelyével összekötő egyenes vonal által alkotott szögek , amelyeket a szakaszok szögeinek nevezünk. Ezek a szögek az aerodinamikai okokból eltérő magasságúak, a gyökértől a csúcsig egyenletes növekedéssel.
Viszonylag rövid lapátoknál a profilörvénylési szögek (a kerületi és a gyökérszelvény beépítési szögeinek különbsége) 10-30, az utolsó fokozatok lapátjainál a 65-70-et is elérhetik.
A szelvények relatív helyzete a lapát magassága mentén a profil kialakítása során, és ennek a profilnak a tárcsához viszonyított helyzete a tárcsára való felszerelés, és meg kell felelnie az aerodinamikai, szilárdsági és gyárthatósági követelményeknek .
A pengék többnyire előformázott nyersdarabokból készülnek . A pengék precíziós öntéssel vagy precíziós bélyegzéssel történő gyártására szolgáló módszereket is alkalmaznak . A turbinák teljesítményének növelésének modern trendjei megkövetelik az utolsó szakaszok lapátjainak hosszának növelését. Az ilyen pengék létrehozása az áramlási aerodinamika, a statikus és dinamikus szilárdság, valamint a szükséges tulajdonságokkal rendelkező anyagok elérhetőségétől függ a tudományos eredmények szintjétől.
A modern titánötvözetek lehetővé teszik akár 1500 mm hosszú pengék gyártását is . De ebben az esetben a korlát a forgórész szilárdsága, aminek az átmérőjét növelni kell, de ekkor csökkenteni kell a lapát hosszát, hogy aerodinamikai okokból fenntartsa az arányt, ellenkező esetben növelni kell a forgórész hosszát. a penge hatástalan. Ezért van egy határ a penge hosszának, amelyen túl nem tud hatékonyan működni.
A penge fő elemeiA farokcsatlakozások és ennek megfelelően a lapátszárak kialakítása nagyon változatos, és a szükséges szilárdság biztosításának feltételei alapján használatos, figyelembe véve a gyártási technológiák fejlődését a turbinákat gyártó vállalatnál. A csülök fajtái: T-alakú, gomba alakú, villás, fenyőfa stb.
Egyik típusú farokcsatlakozásnak sincs különösebb előnye a másikkal szemben – mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai. A különböző gyárak különböző típusú farokcsatlakozásokat készítenek, és mindegyik saját gyártási technikát alkalmaz .
A pengeszárak fő típusai: 1. T-szár; 2. Gomba csülök; 3. Villás szár; 4. Karácsonyfa szárA turbina rotorlapátjai különböző kialakítású láncszemekkel csomagokba vannak csatlakoztatva: a lapátokhoz szegecselt vagy polcok formájában kialakított kötszerek (szilárd, mart kötszer); a pengékhez forrasztott vagy a pengék profilrészében lévő lyukakba szabadon behelyezett huzalok, amelyeket centrifugális erők nyomnak rájuk; speciális, egymáshoz hegesztett nyúlványok segítségével, miután a pengéket a tárcsára szerelték.
Penge szerelvényelemei: 1. Pengetoll; 2. Polc; 3. Szár; 4. KötözőcsőA turbinalapátok célja a sűrített gőz potenciális energiájának mechanikai munkává alakítása . A turbina működési körülményeitől függően rotorlapátjainak hossza több tíztől másfél ezer milliméterig változhat. A forgórészen a lapátok lépcsőzetesen vannak elrendezve, a hossz fokozatos növekedésével és a felület alakjának megváltoztatásával. Minden szakaszban az azonos hosszúságú lapátok sugárirányban helyezkednek el a rotor tengelyéhez képest. Ez az olyan paraméterektől való függésnek köszönhető, mint az áramlás, a térfogat és a nyomás.
Egyenletes áramlási sebességnél a nyomás a turbina bemeneténél maximális, az áramlási sebesség minimális. Amikor a munkaközeg áthalad a turbinalapátokon, mechanikai munkát végeznek, a nyomás csökken, de a térfogat nő. Következésképpen nő a munkalap felülete, és ennek megfelelően a mérete. Például egy 300 MW teljesítményű gőzturbina első fokozatának lapáthossza 97 mm, az utolsóé 960 mm.
A kompresszorlapátok célja a gáz kezdeti paramétereinek megváltoztatása és a forgó rotor mozgási energiájának átalakítása a sűrített gáz potenciális energiájává. A kompresszorlapátok formája, méretei és rögzítési módja a forgórészen nem sokban tér el a turbinalapátokétól. A kompresszorban azonos áramlási sebesség mellett a gáz összenyomódik, térfogata csökken, a nyomás pedig nő, ezért a kompresszor első fokozatában a lapátok hossza nagyobb, mint az utolsónál.
A gázturbinás motor kompresszorral és turbinalapátokkal is rendelkezik. Az ilyen motor működési elve az, hogy turbófeltöltő lapátokkal összenyomja az égéshez szükséges levegőt, ezt a levegőt az égéstérbe irányítja, és üzemanyaggal meggyújtva az égéstermékek mechanikus munkája a turbinalapátokon található. ugyanaz a tengely, mint a kompresszor. Ez különbözteti meg a gázturbinás motort minden más géptől, ahol vagy kompresszor-fúvólapátok vannak, mint mindenféle kompresszorban és fúvóban, vagy turbinalapátok, mint például gőzturbinás erőművekben vagy vízerőművekben.
A gőz- és gázturbinák lapátjaihoz képest a hidraulikus turbinák lapátjai alacsony fordulatszámú, de nagy nyomású környezetben működnek. Itt a penge hossza kicsi a szélességéhez képest, és néha a szélesség nagyobb, mint a hosszúság, a folyadék sűrűségétől és fajlagos térfogatától függően. A hidraulikus turbinák lapátjait gyakran a tárcsához hegesztik, vagy teljesen azzal gyártják.
A szélturbinák lapátjai alacsony nyomású, de meglehetősen nagy légáramlással és nagy sebességű áramban működnek. Ezért a lapáthossz és a rotor átmérő aránya meglehetősen nagy. A befecskendező lapátos gépeknél ( repülőgépek és helikopterek légcsavarjai ) nincs különösebb különbség a lapátok kialakításában.
Úgy tűnik, az első, megjelenésében és felhordási módjában spatulára emlékeztető elem egy evező lehet . Egyes történészek szerint az evezőket a lovak háziasítása előtt kezdték használni. A vízben való mozgásra is használt vitorla egyben a rendeltetésének megfelelő lapát prototípusa is volt. Ezenkívül az evező a befecskendező (kompresszor) lapát élénk példája, a vitorla pedig a turbina (hajtó) lapátja.
A tengelyekre rögzített első malmok szél- vagy vízikerekeinek lapátjai tekinthetők az első lapátos gépeknek. Ezek a modern pengeeszközök prototípusai.
Az ókori Róma idejéből származó dokumentumokban említést találnak a rajtuk folyó patak által forgásba hajtott eszközökről . Alexandriai hős , aki az i.sz. 1. században élt. e. elkészítette az úgynevezett aeolipilt , amely szerkezetében gőzturbinára emlékeztet. De nem sok forgalmazásban részesült, és főleg különféle mechanikus játékok építésénél használták. Idővel az eolipilt teljesen elfelejtették.
Az egyik első lapátos gépet az ókor legnagyobb feltalálója, a szirakúzai Archimedes tesztelte működés közben . Emelőcsigáját , amelyet később " Arkhimédeszi csavarnak " neveztek, a harmadik évezred óta használják különféle célú eszközökben.
Az európai, arab, kínai és sok más civilizáció is használt különféle vízemelő gépeket ( noriákat ), víz- és szélmalmokat.
A 19. században a tudósok elkezdték általánosítani a pengékkel és pengékkel ellátott lemezek használatának tapasztalatait, elemezni és osztályozni próbálták. Leonard Euler orosz akadémikus , Leonardo da Vinci , Bernoulli , Newton , Leibniz és még sokan mások munkáira támaszkodva lefektette a lapátos gépek elméletének alapjait, külön tudományágat választott ki, amely leírja a fő hidropneumatikus-mechanikai sémákat pengéjű készülék.
Annak ellenére, hogy rengeteg munka született a gáz- és folyékony közegben használt pengegépek elméletéről és tervezéséről, a kutatás ezen a területen még mindig folyamatban van.
A jövőben lehetőség nyílik a fény nyomásának napvitorlákban való felhasználására az űrben . Valószínűleg ezek a vitorlák is módosított lapátok lesznek, amelyek radiálisan helyezkednek el a rotoron.
| Turbinák és mechanizmusok turbinákkal a kompozícióban | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Típusok |
| ||||||||||
| Járművek | |||||||||||
| Szerkezeti elemek |
| ||||||||||