Лопаточная машина - устройство, в проточной части которого осуществляется подвод или отбор энергии от потока жидкости или газа за счет взаимодействия со специально спрофилированными элементами, называемыми лопатками. В ряде источников, особенно в зарубежных, для обозначения лопаточных машин применяется термин турбомашины. Эти два понятия являются синонимами.
Как видно из определения, в лопаточной машине может осуществляться как подвод энергии к потоку, так и ее отбор. Важно также отметить, что энергообмен осуществляется именно путем взаимодействия потока с элементами проточной части (лопатками). Данное обстоятельство отличает турбомашины от других типов (например, объемных машин), где энергообмен осуществляется за счет изменения объема рабочего тела.
Важным достоинством лопаточных машин относительно машин других типов является то, что энергообмен осуществляется с непрерывным потоком рабочего тела, в то время как все остальные типы работают с его порциями.
Все существующие лопаточные машины условно можно разделить на две группы в зависимости от направления передачи энергии. По этому признаку различают машины-исполнители и машины-двигатели (рисунок 1.1). Машины-исполнители подводят энергию к потоку жидкости или газа. К ним относятся насосы, компрессоры и вентиляторы. Машины-двигатели преобразуют энергию газового потока в механическую работу. К такому типу машин относятся турбины.
Лопаточные машины нашли широчайшее применение во всех отраслях промышленности и техники. При этом в зависимости от области и применения размеры турбомашины могут меняться от нескольких миллиметров до десятка метров. Ниже перечисляются наиболее распространенные типы турбомашин в порядке увеличения их размеров: автономные микро энергоисточники, турбинный наконечник для привода стоматологического сверла; компьютерные вентиляторы, турбокомпрессоры наддува ДВС, микрогазотурбинные двигатели, водяные насосы, турбодетандеры, вентиляторы систем охлаждения, компрессоры и турбины вертолетных ГТД и самолетов малой авиации, компрессоры и турбины ГТД пассажирских и транспортных самолетов, промышленные вентиляторы, компрессоры и турбины промышленных ГТУ, воздушные винты, гидравлические турбины, ветряные турбины (рисунок 1.2 и 1.3).
Рисунок 1.1 - Машины-исполнители и машины-двигатели
Рисунок 1.2 – Практический диапазон размеров турбомашин, применяемых в разных отраслях
Рисунок 1.3 – Области применения турбомашин в порядке увеличения их размеров
Учитывая тот факт, что область применения турбомашин является чрезвычайно широкой, то их основные параметры могут меняться в широчайших пределах (таблица 1.1).
Таблица 1.1 – Диапазон изменения основных параметров турбомашин
| Параметр | Минимальное значение | Максимальное значение |
| Размер | 4мм (стоматологическое сверло) | 100м (ветряная турбина) |
| Частота вращения: | 6 об/мин (ветряная турбина) | 450 000об/мин (стоматологическое сверло) |
| Массовый расход: | 0,001кг/с (стоматологическое сверло) | 700 000кг/с (ветряная турбина) |
| Мощность | 3Вт (стоматологическое сверло) | 1200МВт (Паровая турбина) |
| Степень сжатия насоса | 1000Па (насос системы охлаждения) | 30 000МПа |
| Степень сжатия компрессора | 1,00 (вентилятор) | 100 (многоступенчатый компрессор) |
| Степень расширения в турбине | 1,001 (ветряная турбина) | 1000 (автономная турбина ЖРД) |
Несмотря на то, что перечисленные турбомашины существенно отличаются друг от друга размерами, формой, назначением, используемым рабочим телом (воздух, продукты сгорания, вода, жидкость), их рабочие процессы подчиняются одним и тем же физическим законам. Машины исполнители и машины двигатели являются обращенными машинами, т.е. рабочие процессы в них подчиняются одним и тем же физическими принципам, описываются одинаковыми уравнениями, но отличаются они направление передачи энергии (к рабочему телу или от него).
Турбомашины имеют большое экономическое значение в современном обществе:
- большая часть электроэнергии генерируется лопаточными машинами;
- почти все коммерческие воздушные перевозки осуществляются с помощью ГТД;
- основным судовым движителем является винт;
- в качестве судовых двигателей применяются паровые и газовые турбины, дизели имеют наддув;
- 90% дизельных двигателей оснащены турбонаддувом;
- насосы подают воду в дома и откачивают канализационные стоки;
- питание ЖРД осуществляется шнекоцентробежными насосами;
- вентиляторы широко применяются в системах охлаждения, вентиляции и кондиционирования.
Компрессоры и турбины легко могут быть идентифицированы визуально. Принципиальная разница между ними заключатся в том, что течение рабочего тела в турбине является конфузорным, а в компрессоре - диффузорным. Поэтому межлопаточный канал в турбине сужается, для него характерно, что угол потока на входе в решетку больше угла на выходе. В компрессоре канал наоборот расширяется. Для канала такой формы характерно, что угол потока на входе меньше угла на выходе.
Кроме того, существует ряд других визуальных признаков отличия компрессоров от турбин:
- профиль компрессора, как правило, более тонкий, чем у турбины;
- компрессорные лопатки часто выполняются из титановых сплавов или стали. Они имеют яркий серебристый цвет. Лопатки турбины выполняются в основном из никелевых сплавов, которые имеют значительно более темный оттенок. Кроме того, турбины могут иметь различные покрытия на поверхности лопатки;
- число ступеней (лопаточных рядов) многоступенчатого компрессора значительно больше числа ступеней турбины;
- перо лопатки турбины заметно более изогнуто по сравнению с компрессорным.
Как известно из механики жидкости и газа пограничные слои более устойчивые и тонкие в течениях, происходящих вдоль направления снижения давления, и наоборот толстые и склонные к отрывам в направлении повышения давления. По этой причине общий КПД турбины выше, чем в компрессоре.