На выходе первой ступени скорость струи относительно лопатки равна

Итак, на выходе верхней лопатки скорость струи относительно лопатки равна 3,1 м/сек.
Но, поскольку струя соскальзывает с лопатки при окружной скорости лопатки 1,5 м/сек, то
истинная скорость струи (относительно неподвижной оси турбины) равна их векторной сумме
V*вых=3,44 м/сек.
V*r =3,1
V*вых=3,44
V*oкр=1,5
Посмотрим на траекторию струи, покидающей нижнюю кромку рабочей лопатки, когда лопатка
находится в крайнем верхнем положении.
Отклонение струи от вертикали
составляет ~24 градуса. Это значит,
что струя «падает» почти
вертикально вниз. Естественно,
струя при этом падении на 0,4 метра
прибавляет в скорости.
Поэтому при встрече с нижней
24,3 °
лопаткой её истинная скорость
относительно неподвижного
наблюдателя подрастёт до 4,4 м/сек.
Изменяется и угол падения, он перед
встречей с нижней лопаткой равен
20,15 градуса.
Важно также, что энергия струи на
этом участке возрастёт на 64 %
48 °
процента.
Теперь нам нужно определить угол
20 °
53 °
встречи струи с нижней лопаткой.
Этот угол равен 42 + 53 – 20 = 75
градусов, когда лопатка неподвижна.
Но, поскольку в рабочем режиме
42 °
входная кромка лопатки вращается
со скоростью 1,5 м/сек, то
вымпельный угол придётся определять по векторной диаграмме.
Сложение векторов даёт результат для вымпельной скорости 4 м/сек. Это даже больше, чем
вымпельная скорость на входе в рабочее колесо.
Угол атаки струи относительно хорды вращающейся лопатки стал
равен 38 градусов, что несколько хуже, чем угол атаки на верхних
4 м/сек
лопатках. Хуже, с точки зрения гидродинамической силы крыла,
4,4 м/сек но данный угол атаки означает, что угол входа потока по
1,5 м/сек
отношению к передней кромке лопатки равен нулю.
Теперь у нас есть вся необходимая информация для анализа работы лопатки рабочего колеса в
нижней части турбины. Памятуя анализ работы верхних лопаток, из которого следовало, что
лопатки в турбине Банки работают не столько, как крылья, а скорее как объёмные механизмы,
перенаправляющие поток под углом более 50 градусов, посмотрим на работу нижней лопатки
именно с этой точки зрения.
Выходная скорость
относительно лопатки
Радиус
колеса
Входная скорость
относительно лопатки
Выходная скорость
истинная
окружная скорость
лопатки
Поток относительно лопатки поворачивает на 74 градуса. Реальный поворот струи чуть меньше,
но нам важен не столько угол поворота, сколько истинная скорость на выходе лопатки. По
векторной диаграмме она равна 2,1 м/сек.
Напомню, что на входе в лопатку истинная скорость струи была 4,4 м/сек.
Значит скорость струи оказалась погашена более, чем в два раза. Энергия струи упала ещё больше.
77% энергии оказалось отдано лопатке.
Это – очень много. Для простой турбины – почти идеал.
Смотрите, что получается.
Лопатки на входе отобрали у потока ~53 % его энергии. Оставшиеся 48 % остались в потоке, то
есть, они никуда не пропали. Далее поток наращивает свою энергию за счёт движения вниз под
действием силы тяжести. Лопатки на выходе отбирают от потока 77 % энергии.
Итоговый КПД 86 %. В идеале.
И это, действительно, оценка идеальной схемы. Точнее, сильно идеализированной.
К сожалению, реальность не так хороша, как рассмотренная нами схема. Особенно, на нижних
лопатках рабочего колеса, потому что струи, слетающие с верхних лопаток, пересекаются друг с
другом, нарушая рассмотренную нами идиллию.
Все струи, слетающие с верхних лопаток, врезаются друг в друга и беспорядочным потоком брызг
обрушиваются на нижние и боковые лопатки. Проанализировать такую ситуацию – нереально.
Здесь – только практика. А о ней может рассказать только очевидец.
Думаю, Сергей Бодров внесёт ясность в эту картинку.
Скорее всего, беспорядочное пересечение струй снижает ту высокую эффективность работы
выходных лопаток, которая получается в результате идеализированного расчёта. Отсюда общая
эффективность турбины Банки, вряд ли, превышает 70 %.
Но, для такой простой турбины – это очень даже неплохо.
Можно ли избежать хаотического пересечения струй ?
Думаю, что можно. Но об этом чуть позже.