葉輪摩擦損失
這一節(jié),將研究光滑的葉輪圓盤(pán)所產(chǎn)生的摩擦損失。這種摩擦過(guò)程是這祥形成的:空氣牢固地粘附于轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)上,并被帶著以圓盤(pán)的圓周速度沿周向運(yùn)動(dòng)。在圓盤(pán)的邊界層中,空氣的速度由等于圓盤(pán)圓周速度的數(shù)值,逐漸減小到之具有自由氣流的速度。被圓盤(pán)帶動(dòng)的空氣受到離心力的作用,使其具有一個(gè)由葉輪中心向著葉輪外端流動(dòng)的趨向。結(jié)果在葉輪內(nèi),便形成一個(gè)如圖56所示的那種環(huán)狀渦流。這種內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)需要消耗能量。所以,可以把它作為一種損失。這種損失通常稱為葉輪摩擦損失或圓盤(pán)摩擦損失。
曾做了許多的試驗(yàn)來(lái)研究這種損失;有人研究了圓盤(pán)和機(jī)殼壁間空間的影響;也有人研究了葉輪進(jìn)口直徑的影響。馮·卡曼首先成用邊界層理論從理論上來(lái)解決這個(gè)題。
及后在格廷根的試驗(yàn)對(duì)這一問(wèn)題的物理意義提出了一個(gè)新的見(jiàn)解,而且證實(shí)了假說(shuō)的正確性。
對(duì)“流場(chǎng)”的充分研究得到了以下意想不到的結(jié)果:在圓盤(pán)上有一層薄的邊界層,它以近似等于圓盤(pán)的角速度旋轉(zhuǎn)。被圓盤(pán)拋向外邊的空氣,在一個(gè)較薄的層內(nèi)沿機(jī)殼壁運(yùn)動(dòng),并沿軸向返回。這種現(xiàn)象如圖57所示。中心部（圖57中斜線所示部分)的空氣不跟隨上述的環(huán)狀運(yùn)動(dòng),而是如同一個(gè)固體般地運(yùn)動(dòng),并具有一個(gè)等于圓盤(pán)角速度一半的角速度。這種流型表明機(jī)殼的尺寸并不起多大的作用。而且這一點(diǎn)由以后的試驗(yàn)所證實(shí)。所以,在計(jì)算中,因?yàn)樯袩o(wú)完整可靠的解釋,故忽略了機(jī)殼的影響。
如果從葉輪的因次來(lái)考慮,則可以簡(jiǎn)單地得岀“摩擦所做的功”的那些參數(shù)。因?yàn)樵瓌t上摩擦損失是一種水力損失,所以這種損失應(yīng)該用它所做的功一一等于壓力、面積和速度的乘積,這類參數(shù)來(lái)表示。其中,就壓力而言,只有圓周速度u2所產(chǎn)生的動(dòng)壓(ρ/2)u2オ具有物理意義。面積方畫(huà),除了圓盤(pán)面積(π/4)d22外,再?zèng)]有其它能起重要作用的參數(shù)了。至于速度,也只用考慮圓周速度u2。所以,用這些參數(shù)來(lái)表征葉輪摩擦所做的功時(shí),應(yīng)為：
因此,葉輪摩擦損失取決于圓周速度的三次方及直徑的平方。在圓周速度為常數(shù)時(shí)——這里是把具有同樣壓頭的葉輪作比較,葉輪的摩擦損失則和葉輪圓盤(pán)面積成正比。所以,為了減小損失,葉輪的直徑應(yīng)盡可能地小,即選用的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能地高。
葉輪摩擦損失的總值只占葉輪總有效功的很小一部分?？傆行ЧL=(△PV)/75。
若用壓力系數(shù)和流量系數(shù)代入上式,則可得
可以看出:只有很小直徑比的葉輪,葉輪摩擦才占有比較大的比重。但應(yīng)注意,在d1/d2=0.15時(shí),對(duì)效率有很大的影響。此時(shí),葉輪摩擦損失會(huì)大于有效功。這是用于鍛造鼓風(fēng)的鼓風(fēng)機(jī)等,以及透平縮機(jī)最后一級(jí)葉輪的情況。
這時(shí)的葉輪摩擦損失是非常重要的。這就是人們?yōu)槭裁床捎锰厥鈧鲃?dòng)葉輪的原因,因這樣的設(shè)計(jì)可獲得較有利的直徑比。
通風(fēng)機(jī)的葉輪摩擦損失隨流量的變化而有一些變動(dòng)。特別值得注意的是,在蝸殼中,速度較高時(shí),即蝸殼中流量較大時(shí),葉輪摩擦損失就會(huì)較小。
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