Рис. 1. Взаимодействие отруи с плоской поверхностью.

Это уравнение будет справедливым не только в том случае, когда жидкости сообщается ускорение, как при выходе ее из сопла, но и в том случае, когда движение жидкости замедляется, как при ударе струи о твердое тело. Когда струя или поток жидкости действует на твердое тело, то приложенная к твердому телу сила равна изменению количества движения жидкости за 1 сек.

Рис. 2. Взаимодействие струи с криволинейной поверхностью.

Использование криволинейных поверхностей. Другой способ повышения к. п. д. состоит в том, что струю заставляют встречаться не с плоской, а с вогнутой поверхностью. В том случае, когда струя встречает движущуюся плоскую поверхность, расположенную перпендикулярно к ней, то после совершения работы она все еще сохраняет скорость, равную скорости поверхности, и некоторое количество кинетической энергии, соответствующее этой скорости. Для получения максимального к. п. д. кривизна поверхности и ее скорость, имеющая то же направление, что и скорость струи, должны быть такими, чтобы жидкость, оставляя поверхность, на которую она воздействовала, имела скорость, равную нулю, и находилась неподвижно в пространстве, т. е. чтобы кинетическая энергия жидкости равнялась нулю.

На рис. 2 представлен случай, когда струя встречает поверхность, состоящую из двух полукруглых элементов. Если эта поверхность находится в покое, то направление движения жидкости будет изменено на обратное, т. е. жидкость будет оставлять поверхность с той же скоростью, с какой она с нею встретилась, но в противоположном направлении. В этом случае жидкость оставляет поверхность, обладая отрицательным количеством движения, численно равным тому положительному количеству движения, с которым жидкость встретила поверхность. Изменение количества движения в этом случае будет вдвое больше, чем в случае натекания на плоскую поверхность; воздействующая на поверхность сила также увеличится вдвое. Такое же соотношение между изменением количества движения и импульсом силы для обоих типов поверхностей будет и тогда, когда эти поверхности находятся в движении.

При этом скорость жидкости относительно поверхности при встрече с последней будет составлять половину абсолютной скорости. Так как направление движения жидкости на поверхности изменяется на обратное, то жидкость будет оставлять поверхность при абсолютной скорости, равной нулю, т. е. ее кинетическая энергия также будет равна нулю. Такие идеальные условия, при которых поверхности или лопатки находятся бесконечно близко друг к другу, а также направление струи в точности изменяется на обратное, не могут быть в полной мере осуществлены на практике. Более того, в действительности неизбежны потери на трение между жидкостью и твердой поверхностью, по которой эта жидкость течет; эти потери не принимались нами во внимание при изложенных выше рассуждениях. К потерям на трение прибавляются так называемые потери на удар, которые имеют место во всех случаях, когда жидкость встречает поверхность, расположенную перпендикулярно струе или под углом к направлению ее движения. В тех случаях, когда жидкость встречает неподвижную поверхность, общие потери составляют 100%. и большая их часть приходится на удар.

Момент количества движения. В гидромуфтах и гидродинамических трансформаторах жидкость заключена в картер, имеющий форму тора, и действует на поверхности, вращающиеся вокоуг оси картера. В таких агрегатах жидкость совершает сложное движение, которое складывается из движения в меридиональном сечении (сечение плоскостью, проходящей через ось) и вращательного движения вокруг оси. Другими словами, абсолютная скорость любой частицы жидкости всегда может быть разложена на две составляющие, одна из которых лежит в плоскости, проходящей через ось (меридиональная скорость), а другая — направлена перпендикулярно к этой плоскости. Меридиональная скорость остается почти постоянной на всем пути перемещения жидкости и изменяется только в том случае, если изменяется площадь поперечного сечения канала; это касается скорости вращательного движения (окружной скорости), то по мере последовательного продвижения жидкости через различные элементы эта скорость изменяется периодически. При прохождении через колесо насоса скорость жидкости возрастает, а при прохождении через турбину жидкость вначале замедляется, а затем вновь ускоряется, двигаясь в противоположном направлении.

Жидкость, находящаяся в движении, обладает некоторым количеством движения независимо от того, движется она прямолинейно или криволинейно. При вращательном движении сила, возникающая вследствие изменения количества движения, создает крутящий момент (реакцию) относительно оси того элемента, который вызвал изменение количества движения. Этот крутящий момент пропорционален изменению количества движения и изменению среднего радиуса относительно оси вращения сечения потока. Произведение количества движения жидкости, находящейся во вращательном движении, и среднего радиуса сечения потока называется моментом количества движения Мт. Крутящий момент, необходимый Для того чтобы получить заданный момент количества движения, равен изменению момента количества движения жидкости, проходящей через поперечное сечение круга циркуляции в течение 1 сек.

В принятой нами системе единиц все физические величины сводятся к весу, длине и времени; момент количества движения имеет размерность кгм/сек, а крутящий момент — кгм. Это означает, что крутящий момент равен частному от деления момента количества движения на время или изменению момента количества движения в единицу времени.

Центробежный насос. Одним из простейших примеров использования принципов гидродинамики является центробежный насос. Лопастное колесо такого насоса обычно имеет лопатки с кривизной лишь в плоскости вращения, а поверхности лопаток образуются прямыми линиями, параллельными оси вращения. Вследствие этого теория такого насоса весьма проста. Входная часть лопаток наклонена вперед с тем, чтобы уменьшить удар жидкости при входе в насос. В обычном центробежном насосе жидкость, перед тем как попасть на лопатки, не имеет окружной скорости. В этом отношении центробежный насос отличается от гидротрансформатора, в котором жидкость, поступая на лопатки колеса насоса, уже имеет некоторую окружную составляющую абсолютной скорости. Задняя (выходная) часть лопаток центробежного насоса может быть выполнена как радиальной, так и наклоненной назад или вперед. Во всех случаях абсолютная скорость выходящей из колеса насоса жидкости представляет собой равнодействующую окружной скорости концов лопаток и скорости потока жидкости, параллельного выходной части профиля лопаток.

Рис. 3. Типы лопаток центробежного насоса и диаграммы скоростей:
а — наклоненные назад; б — радиальные; в — наклоненные вперед.

На рис. 3 представлены диаграммы скоростей для трех типов лопаток. На всех диаграммах АВ — скорость потока жидкости, параллельного концам лопаток — относительная скорость, АС—окружная скорость концов лопаток и AD — абсолютная скорость жидкости на выходе из колеса насоса. Из диаграммы видно, что при данном значении окружной скорости абсолютная скорость жидкости будет наибольшей при наклоне лопаток вперед и наименьшей — при наклоне назад. Эта скорость определяет величину крутящего момента и мощности на единицу веса расходуемой жидкости. При данном внутреннем и внешнем радиусах лопаток и заданной скорости вращения колесо насоса с лопатками, наклоненными вперед, будет потреблять большую мощность, чем колесо с лопатками, наклоненными назад; колесо насоса с радиальным расположением лопаток будет занимать промежуточное положение.

Центробежные насосы в стационарных установках часто применяются для подъема жидкости на большую высоту. Для того чтобы преодолеть напор большого столба, жидкость на выходе из насоса в этом случае должна находиться под высоким давлением. В колесе насоса жидкость приобретает кинетическую энергию, и, для того чтобы эта кинетическая энергия могла превратиться с минимальными потерями в статический напор, центробежный насос оборудуют спиральным кожухом (улиткой), окружающим колесо насоса; в некоторых случаях внутри кожуха устанавливаются неподвижные лопатки, которые позволяют снизить скорость жидкости, сходящей с колеса насоса,_ с минимальными потерями на удар.

Действие жидкости на лопатки турбины. Хотя конструкции современных гидравлических турбин весьма разнообразны, такие турбины могут иметь рабочие колеса, сходные с колесами центробежных насосов, т. е. с лопатками, которые изогнуты только в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. На рис. 4 профиль лопатки такой турбины представлен толстой кривой линией. А.В изображает скорость жидкости на входе, а АС — скорость входной части лопатки. Абсолютная скорость жидкости АВ может быть разложена на две составляющие, одна из которых АС — скорость жидкости вместе с лопаткой, а другая СВ — скорость жидкости относительно лопатки. Если исходить из того, что канал, по которому протекает жидкость, имеет постоянную площадь поперечного сече-пия, то скорость жидкости относительно лопатки не изменяется по величине на пути от входа к выходу из канала. Однако направление скорости изменяется, так как жидкость сходит с лопаток по касательной к направлению выходной части лопатки. Вследствие этого вектор DE, направленный по касательной к кривой профиля лопатки и по величине равный СВ, представляет собой относительную скорость жидкости на выходе с лопатки.

Рис. 4. Действие жидкости на лопатку турбины:
1 — направление движения.