гидравлика

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию РФ
Владивостокский государственный университет
экономики и сервиса
_________________________________________________________
ГИДРАВЛИКА
Учебная программа курса
по специальности
19060365 «Сервис транспортных и технологических машин
и оборудования (Автомобильный транспорт)»
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2008
1
ББК 22.253.3
Учебная программа по дисциплине «Гидравлика» составлена в соответствии с требованиями ГОС ВПО РФ ОПД.Ф.02.05. Предметом
курса являются основные законы равновесия и движения жидкостей, а
также гидравлические и пневматические системы автомобилей, работа
которых связана с реализацией этих законов.
Предназначена студентам специальности 19060365 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (Автомобильный
транспорт)».
Составитель: С.А. Остренко, доцент кафедры сервиса и технической эксплуатации автомобилей.
Утверждена на заседании кафедры сервиса и технической эксплуатации автомобилей.
Рекомендована к изданию УМК ИИБС ВГУЭС.
©
2
Издательство Владивостокский
государственный университет
экономики и сервиса, 2008
ВВЕДЕНИЕ
Общеинженерная учебная дисциплина «Гидравлика» состоит из
двух разделов. В разделе «Основы гидравлики» изучают законы равновесия и движения жидкостей, а также способы приложения этих законов
к решению практических задач: определение давления, расхода, сопротивления каналов, по которым жидкости движутся, сил, действующих
на тело, помещенное в поток и т.п. В разделе «Гидравлические и пневматические системы автомобилей» изучают принципы действия, область применения и эксплуатации гидравлических машин, гидродинамических передач, гидро- и пневмоприводов, гидроаппаратуры, системы воздухо- и водоснабжения предприятий автосервиса.
3
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.1. Цели курса
Теоретически подготовить будущих специалистов к грамотной эксплуатации гидравлических машин, гидро- и пневмоприводов, гидравлических и пневматических систем.
1.2. Требования к знаниям и умениям,
приобретаемым при изучении курса,
в соответствии с квалификационной характеристикой
выпускника
Студент должен знать:
- основные законы равновесия и движения жидкостей, способы
их приложения к решению практических задач;
- принципы действия гидравлического оборудования;
- основные характеристики и методики расчета гидравлических
машин и гидроприводов, особенности эксплуатации и обслуживания
емкостей высокого давления.
Уметь:
- проводить расчеты систем;
- подбирать и испытывать оборудование для них;
- пользоваться контрольно-измерительными приборами.
1.3. Объем и сроки изучения курса
Курс изучается студентами в течение 1 семестра в объеме 175 часов
(«Основы гидравлики» – 70 часов, «Гидравлические и пневматические
системы автомобилей» – 105 часов): 85 часов аудиторных занятий
(51 час лекций, 17 часов лабораторных работ и 17 часов практических
занятий) и 90 часов – самостоятельное изучение материала.
1.4. Основные виды занятий
и особенности их проведения
при изучении курса
1.4.1. Лекционные занятия
В данной дисциплине предусмотрены лекционные занятия с использованием презентаций в объеме 3-х часов в неделю с потоком студентов.
4
1.4.2. Лабораторные работы
Лабораторные работы (в объеме 1 час в неделю) проводятся в специализированной лаборатории кафедры СТЭА (ауд. 4407) на лабораторных установках и на компьютере в имитационном режиме.
Лабораторные работы направлены на получение навыков в работе с
контрольно-измерительными приборами, знакомство с методиками определения расходов жидкостей и газов, сопротивлений элементов гидравлических систем, проведения энергетических испытаний гидравлических машин.
1.4.3. Практические занятия
Практические занятия проводятся в аудитории с группой студентов, обучающейся по данной специальности, в объеме 1 час в неделю.
На них студенты применяют полученные знания для расчета усилий,
действующих на конструкции со стороны жидкости, осваивают методы
расчета трубопроводов, изучают методики подбора гидравлического
оборудования.
При проведении занятий в аудитории, оборудованной компьютером с выводом изображения на экран, демонстрируется ход решения с
применением численных методов.
1.4.4. Самостоятельные занятия
Во время самостоятельной подготовки студентам рекомендуется
изучать дополнительную литературу, в которой рассматриваются особенности приложения рассматриваемой дисциплины в автомобильной
отрасли. Ссылки на дополнительную информацию даются в ходе аудиторных занятий.
1.5. Техническое и программное обеспечение
дисциплины
Для проведения лекционных и практических занятий аудитория
должна быть оснащена мультимедийным компьютером, проектором и
экраном, окна должны иметь светонепроницаемые шторы. На компьютере должен быть установлен пакет MS Office (Power Point, Excel).
В специализированной лаборатории гидравлики (ауд. 4407) в рабочем, снаряженном состоянии должны находиться комплект лабораторного оборудования «Капелька», стенды для измерения расхода воздуха,
испытания насоса. Для проведения имитационных работ в лаборатории
необходим компьютер с установленным пакетом LabView 6.
5
1.6. Виды контроля знаний студентов и их отчетности
Форма отчетности по итогам изучение курса – экзамен. Используется 100 бальная рейтинговая система оценки знаний. На восьмой и
шестнадцатой неделях семестра проводятся текущие (предварительные)
аттестации, каждая из которых оценивается максимум в 40 баллов (учитывается число сданных лабораторных работ, количество решенных
задач, результаты промежуточного тестирования, посещение занятий и
активность на них). Итоговая аттестация (экзамен) оценивается 20 баллами. В экзаменационную ведомость и зачетную книжку выставляются
оценки:
 «отлично», если сумма баллов составляет
91 – 100
 «хорошо» –
76 – 90
 «удовлетворительно» –
61 – 75
 «не удовлетворительно» –
менее 60
Студент, набравший по итогам двух предварительных аттестаций
менее 41 балла, к экзамену не допускается и направляется на повторное
изучение курса.
6
2. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
2.1. Теоретические занятия
2.1.1. Раздел 1. Основы гидравлики
Тема 1. Основные понятия и законы
Лекция I. Введение. Свойства жидкостей и газов.
Лекция II. Первая теорема Гельмгольца. Силы, действующие в жидкости. Обобщенный закон трения. Уравнение неразрывности.
Лекция III. Уравнение движения жидкости. Основы теории подобия.
7 часов
Предмет гидравлики и ее приложение к транспортным задачам.
Определение жидкости и ее основные свойства. Понятие идеальной
жидкости, ньютоновские и неньютоновские жидкости. Понятие сплошности жидкости и уравнение неразрывности. Понятие деформационного
движения и первая теорема Гельмгольца. Силы, действующие в жидкости. Уравнение движения жидкости в напряжениях. Обобщенный закон
Ньютона. Уравнение Навье-Стокса. Основы теории подобия.
Тема 2. Гидростатика
Лекция I. Гидростатика.
3 часа
Уравнение Эйлера равновесия жидкости. Закон Паскаля. Основное
уравнение гидростатики. Силы давления жидкости на плоские и криволинейные поверхности. Относительный покой жидкости. Примеры
применения уравнений гидростатики (гидравлический домкрат, гидроцилиндр). Закон Архимеда. Основы теории плавания.
Тема 3. Динамика идеальной жидкости
Лекция I. Уравнение движения идеальной жидкости и его решения.
Лекция II. Уравнение Бернулли для несжимаемой жидкости и
примеры его применения.
4 часа
Дифференциальное уравнение движения идеальной жидкости. Уравнение Бернулли для установившегося движения идеальной жидкости.
Использование уравнения Бернулли для измерения расхода. Уравнение
Бернулли для потока вязкой жидкости. Применение его для расчета
карбюратора. Истечение через отверстия и насадки. Коэффициенты
сжатия, скорости и расхода. Явление гидравлического удара.
7
Тема 4. Динамика вязкой несжимаемой жидкости
Лекция I. Ламинарное изотермическое течение несжимаемой жидкости в трубах.
Лекция II. Турбулентное течение. Потери в местных сопротивлениях.
Лекция III. Гидравлический расчет трубопроводов. Струйные насосы.
Лекция IV. Распыливание топлива.
8 часов
Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Потери
напора на трение по длине трубы при ламинарном режиме (формула
Пуазейля). Распределение скоростей в канале. Турбулентное течение.
Пульсации скорости и давления и их осреднение. Общая формула определения потерь напора (формула Дарси). Коэффициент трения и факторы, оказывающие на него влияние. Основные виды местных сопротивлений. Потери напора в местных сопротивлениях (формула Вейсбаха).
Коэффициент местных потерь. Основное расчетное уравнение простого
трубопровода. Сифонный трубопровод. Последовательное и параллельное соединение трубопроводов. Сложные трубопроводы. Трубопровод с
насосной подачей. Струйный насос.
Механизмы дробления струи жидкости на капли. Факторы, оказывающие влияние на характеристики распыла.
2.1.2 Раздел 2. Гидравлические и пневматические
системы автомобилей
Тема 5. Общие сведения о гидравлических системах.
Лопастные гидравлические машины
Лекция I. Общие сведения о гидравлических системах. Насосы.
Основные параметры. Центробежные насосы. Основное уравнение турбомашин. Характеристика центробежного насоса.
Лекция II. Основы теории подобия центробежных насосов. Работа
насоса на сеть. Кавитация. Вихревые насосы.
Лекция III. Гидродинамические передачи. Моделирование гидродинамических передач. Гидромуфты.
Лекция IV. Гидротрансформаторы. Совместная работа ДВС с гидродинамическими передачами. Система питания гидродинамических передач.
8 часов
Гидравлическая система, еѐ назначение и состав. Насосы и гидродвигатели. Классификация насосов. Принцип действия динамических и
объемных машин. Основные параметры: подача, напор, мощность, КПД.
8
Центробежные насосы. Основное уравнение турбомашин (уравнение
Эйлера). Теоретический напор. Потери энергии в насосе. КПД насоса.
Характеристика центробежных насосов. Регулирование подачи. Основы
теории подобия насосов. Условия подобия: подобие подач, напоров,
мощностей. Условия пропорциональности. Применение формул подобия
для пересчета характеристик насосов. Коэффициент быстроходности.
Расширение области применения центробежных насосов обточкой рабочих колес. Поле насоса и подбор насоса по каталогу. Кавитация в лопастных насосах. Кавитационный запас и допустимая высота всасывания.
Гидродинамические передачи: назначение принцип действия и области применения. Моделирование гидродинамических передач. Гидродинамическая муфта: устройство, рабочий процесс и характеристики
гидромуфты. Совместная работа гидромуфты с двигателем. Гидродинамический трансформатор: устройство, классификация, рабочий процесс,
внешняя характеристика гидротрансформатора. Совместная работа гидротрансформатора с двигателем. Система питания гидродинамических
передач.
Тема 6. Машины объемного принципа действия
Лекция I. Классификация объѐмных гидромашин. Поршневые,
шестеренчатые, пластинчатые, роторно-поршневые насосы.
Лекция II. Силовые гидродвигатели.
Лекция III. Компрессорные машины.
6 часов
Объемные насосы, принцип действия, общие свойства и классификация, область применения. Поршневые насосы, шестеренчатые, пластинчатые, роторно-поршневые насосы: устройство, производительность,
потери энергии и КПД, неравномерность подачи и способы ее выравнивания.
Силовые гидроцилиндры. Разгон поршня в силовом гидроцилиндре. Определение скорости исполнительного звена гидроцилиндра при
произвольном законе изменения нагрузки.
Термодинамика компрессорного процесса. Рабочий процесс и индикаторная диаграмма. Коэффициенты полезного действия компрессоров. Охлаждение и ступенчатое сжатие. Регулирование подачи.
Тема 7. Гидроаппаратура и другие элементы систем
Лекция I. Направляющие гидроаппараты. Дроссельные устройства. Прочие элементы гидравлических систем.
2 часа
Назначение, классификация, устройство, обозначения условные графические на схемах и чертежах, характеристики (регулировочная и гидравлическая), рекомендации по подбору и эксплуатации.
9
Тема 8. Объемный гидропривод. Схемы гидроприводов
и способы регулирования скорости. КПД гидропривода
Лекция I. Классификация объемных гидроприводов. Требования к
рабочим жидкостям. Мультипликативный эффект объемного гидропривода. КПД нерегулируемого гидропривода.
Лекция II. Регулирование объемного гидропривода. Следящий гидропривод.
Лекция III. Примеры гидравлических систем автомобилей.
Лекция IV. Гидромеханические цепи.
8 часов
Принцип действия объемного гидропривода. Классификация объемных гидроприводов, их характеристики и основные параметры.
Мультипликативный эффект. Рабочие жидкости, применяемые в гидроприводе и требования к ним. КПД нерегулируемого гидропривода.
Объемное и дроссельное регулирование скорости рабочего органа
гидропривода. Сравнение способов регулирования. Следящие гидроприводы.
Примеры гидравлических систем, установленных на автомобилях
фирмы Хонда и описание их работы: система антиблокировки тормозов
(ABS), автоматическая трансмиссия.
Классификация элементов гидромеханической цепи. Математические
и символические модели элементов ГМЦ. Правила составления цепей.
Тема 9. Пневматическая система
Лекция I. Назначение состав и область применения. Питающая и
очистительная аппаратура.
Лекция II. Пневматический привод тормозов.
4 часа
Назначение, состав и область применения пневматических систем.
Элементы питающей системы: компрессор, разгрузочное устройство, регулятор давления, масловлагоотделитель, воздушные баллоны.
Назначение, преимущества и недостатки, основные элементы пневматического привода тормозов. Тормозные краны автомобиля тягача и
прицепа, воздухораспределитель, тормозные камеры: назначение, их принцип действия, особенности работы при аварийном торможении.
Тема 10. Воздухо- и водоснабжение предприятий автосервиса
Лекция I. Системы воздухо- и водоснабжения предприятий автосервиса.
1 час
Назначение и схемы систем воздухо- и водоснабжения предприятий. Оборотное водоснабжение. Санитарные требования к технической
воде для повторного ее использования.
10
2.2. Практические занятия
Тема 1. Свойства жидкостей.
Тема 2. Гидростатика.
Тема 3. Динамика идеальной жидкости.
Гидравлический удар.
Тема 4. Динамика вязкой несжимаемой жидкости.
Тема 5. Центробежные насосы и работа их на сеть.
Тема 6. Объѐмный гидравлический привод.
Тема 8. Объемные гидравлические машины и их выбор.
2 часа.
2 часа.
3 часа.
4 часа.
2 часа.
2 часа
2 часа.
2.3. Лабораторные занятия
На лабораторных занятиях студенты в течение семестра выполняются восемь лабораторных работ из следующего списка:
1. Калибровка приборов для измерения давления.
2. Изучение физических свойств жидкости.
3. Изучение приборов для измерения давления. Измерение гидростатического давления.
4. Построение диаграммы Бернулли.
5. Определение коэффициента расхода диафрагмы.
6. Определение расхода воздуха с помощью диафрагмы.
7. Определение профиля скоростей в цилиндрическом канале.
8. Определение коэффициента сопротивления трения.
9. Определение коэффициента местных сопротивлений.
10. Энергетические испытания центробежного насоса.
11. Кавитационные испытания насоса.
11
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
3.1. Перечень и тематика
самостоятельных работ студентов
Для студентов очной формы обучения предлагается в дополнение к
лекционному материалу рассмотреть самостоятельно следующие вопросы, которые поясняют, углубляют и расширяют представления об
изучаемом курсе.
- Основы кинематики жидкости /2, с. 22 – 34/.
- Абсолютный и относительный покой жидких сред. Плавание
тел /2, с. 53 –56/.
- Модель идеальной (невязкой) жидкости. /2, с. 58 – 64/.
- Гидравлический удар /8, с. 66 – 71/.
- Подобие гидромеханических процессов /2, с. 72 – 78/.
- Турбулентность и ее основные статистические характеристики /2, с. 82 – 92/.
- Истечение жидкости при переменном напоре (опорожнение сосудов) /2, с. 115 – 116/.
- Распыливание топлива /1, с.64 – 70/.
- Течение жидкости в зазорах машин и аппаратов /2, с. 152 – 172/.
- Описание конструкций гидродинамических передач /5, 97 – 134/.
- Элементы управления гидравлических приводов (гидроаппараты) /3, с. 153 – 199/.
- Кондиционеры рабочих жидкостей /3, 28 – 37/.
- Гидравлические системы подачи жидкости /3, с. 231 – 248/.
3.2. Методы работы с литературой
Тема 1. Основные понятия и законы
Приступая к изучению гидравлики, необходимо уяснить ее место в
системе наук. В процессе исторического развития в отдельную науку
выделилась гидромеханика. Она изучает законы механического движения жидкости и разрабатывает методы их использования для решения
практических задач; самостоятельная составная часть гидромеханики –
гидравлика. Ее спецификой является рассмотрение главным образом
одномерных задач, а также широкое использование для их решения упрощенных и эмпирических методов, удобных для применения в инженерной практике.
Объект изучения гидравлики – жидкость. По своим физическим
свойствам жидкость занимает промежуточное положение между твер12
дыми телами и газами. Она способна сохранять свой объем, весьма мало
его изменяет при изменении давлениями, это делает ее сходной с твердым телом. Однако силы, связывающие молекулы в жидкости слабые,
недостаточные для того, чтобы она сохраняла свою форму. Обладая
характерным для нее свойством – текучестью, жидкость не имеет своей
формы, а принимает форму того сосуда, в котором находится. Этил она
отличается от твердого тела и имеет сходство с газом. Свойства жидкости определяются ее молекулярным строением и нужно твердо усвоить
связь между особенностями молекулярного строения и ее свойствами.
Жидкость, как всякое физическое тело, имеет бесконечно большое
количество свойств. В гидравлике при изучении законов равновесия и
движения жидкости изучаются только те ее свойства и отражающие их
характеристики, которые определяют законы равновесия и движения
жидкости. Характеристики жидкости, которые приняты в гидравлике,
необходимо очень тщательно изучить уметь дать им определение, знать
размерность и единицы измерения в системе СИ.
Сжимаемость жидкости незначительна. Поэтому чаще всего в гидравлических расчетах жидкость считают несжимаемой. Сжимаемость
принимается во внимание только в некоторых специальных случаях,
например при расчетах гидравлического удара.
Изменение температуры жидкости вызывает изменение ее объема.
Одним из самых важных свойств жидкости является вязкость. Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению (сдвигу или скольжению) соприкасающихся
слоев. Вязкость приводит к появлению сил внутреннего трения в жидкости при ее движении. В тех случаях, когда она не движется, вязкость
не проявляется. При движении жидкости вязкость вызывает силы трения, которые в большинстве случаев подчиняются закону Ньютона.
Жидкости, у которых зависимость касательных напряжений от
градиента скорости не подчиняется закону Ньютона, называются неньютоновскими или аномальными. К ним относятся, например, нефтепродукты при температуре, близкой к температуре застывания.
Вязкость жидкости уменьшается при повышении ее температуры.
Учет при движении жидкости сил, которые вызываются вязкостью, значительно усложняет изучение законов ее движения. В целях упрощения
в гидравлике вводится модель: идеальная жидкость. Она характеризуется полным отсутствием вязкости и постоянством объема при изменении
давления и температуры.
Движения характеризуются скоростью и ускорением. В жидкости
частицы могут перемещаться относительно друг друга, поэтому приходится рассматривать в объеме движущейся жидкости поля скоростей и
ускорений и вводить наряду с такими известными понятиями, как траектория движения жидкой частицы, новые: линия тока, трубка тока,
13
поверхность тока. Линия тока – это кривая, проходящая через такие
частицы жидкости, скорости которых в данный момент времени направлены по касательной к этой линии. Трубка тока – трубчатая поверхность бесконечно малого поперечного сечения, образованная линиями тока, проходящими через точки бесконечно малого замкнутого
контура. Жидкость, проходящая внутри нее, образует элементарную
струйку, которая изолирована от окружающей массы жидкости.
При исследовании движения жидкости применяются два метода –
метод Лагранжа и метод Эйлера. Метод Лагранжа требует для получения характеристики потока изучить законы движения каждой индивидуальной частицы. Метод Эйлера основывается на изучении полей скоростей, ускорений и других параметров потока и не рассматривает отдельные частицы. В гидравлике при решении практических задач используется, как правило, метод Эйлера.
Большое значение во всех выводах и практических расчетах имеет
уравнение неразрывности. Оно связывает кинематические параметры
потока с его геометрическими параметрами.
Уравнение неразрывности позволяет найти размеры поперечных
сечений трубопроводов, арматуры, русел при заданных расходах и скорости. Практически все задачи гидравлики решаются с его применением.
Следует иметь в виду, что уравнение неразрывности в конечном
итоге сводится к утверждению постоянства расхода. Данное уравнение
справедливо только в тех случаях, когда соблюдаются допущения, принятые при его выводе.
В вязкой жидкости существуют касательные напряжения, поэтому
она не обладает изотропными свойствами. Следствием неизотропности
является неравенство проекций давления, на оси. Необходимо уяснить,
что вязкость проявляется только в движении и неравенство проекций
давлений имеет место только в случае движения вязкой жидкости.
Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости учитывают силы поверхностного трения.
В гидравлике, вследствие того, что в большинстве задач, связанных с течением жидкости, невозможно получить точное решение из
основных уравнений, широко применяется метод моделирования, когда
исследуется не сама установка, а ее модель, в большинстве случаев
меньших размеров.
Для установившихся потоков, однородных несжимаемых жидкостей необходимым и достаточным условием гидродинамического подобия является геометрическое, кинематическое и динамическое подобие
потоков. Сравнительно легко обеспечить геометрическое и кинематическое подобие. Динамическое же подобие требует пропорциональности
14
всех сил, действующих в потоке. В общем случае невозможно обеспечить подобие всех сил, так как подобие по одним силам часто исключает подобие по другим силам.
При решении практических задач достаточно выполнить приближенное подобие, когда соблюдается пропорциональность тех сил, которые преобладают в потоке. При моделировании используются критерии
подобия: критерий Рейнольдса (в потоке преобладают силы трения),
критерий Фруда (преобладают силы тяжести), критерий Эйлера (преобладают силы давления).
В гидравлике при моделировании особо значение имеет критерий
Рейнольдса, представляющий собой отношение сил инерции к силам
трения. Его численное значение определяет характер потока; функцией
критерия Рейнольдса являются многие величины, характеризующие
движение жидкости.
Тема 2. Гидростатика
Гидростатика изучает законы равновесия жидкости и их применение в инженерной практике. В этом разделе гидравлики рассматриваются закономерности распределения давления в покоящейся жидкости,
методы определения величины, направления и точки приложения силы
давления жидкости на плоские и криволинейные поверхности, а также
законы, определяющие плавание тел в жидкости.
Наиболее общими уравнениями гидростатики являются дифференциальные уравнения Эйлера. При их изучении необходимо твердо усвоить физический смысл входящих в них величин. Уравнения Эйлера устанавливают связь между поверхностными и массовыми силами и позволяют решать задачи, как о закономерностях распределения давления,
так и для случаев, когда жидкость находится в абсолютном покое и на
нее действует только сила тяжести, а также в случае относительного
покоя, когда на жидкость действуют силы тяжести и инерции. Из уравнений Эйлера выводится основное уравнение гидростатики, связывающее давление в точке жидкости с глубиной ее погружения и давлением
на свободной поверхности жидкости.
В жидкости различают абсолютное, избыточное (манометрическое)
и вакуумметрическое давления. В практических расчетах употребляются все три величины, поэтому необходимо твердо усвоить взаимосвязь
между ними. При определении нагрузок в конструкциях от силы гидростатического давления жидкости на поверхности, как правило, оперируют манометрическим давлением или вакуумом, так как атмосферное
давление действует на конструкцию со всех сторон, что позволяет не
принимать его во внимание.
Важными понятиям гидростатики являются напор и пьезометрическая высота. Пьезометрическая высота выражает в метрах столба жид15
кости давление в рассматриваемой точке жидкости. Гидростатический
напор равен сумме геометрической и пьезометрической высот.
Жидкость в покое оказывает на твердую поверхность давление.
Наглядное представление о воздействии жидкости на поверхность дают
эпюры давления. Аналитическое определение силы давления на плоскую поверхность дает простое решение: сила давления на плоскую
поверхность равна произведению площади смоченной поверхности на
давление в центре тяжести. Точка приложения силы давления называется центром давления. Он лежит всегда ниже центра тяжести, только в
двух частных случаях центр давления и центр, тяжести смоченной поверхности совпадают: поверхность горизонтальна, и поверхность находится на бесконечно большой глубине.
При определении силы давления на криволинейную поверхность
приходится ее искать как равнодействующую трех сил: двух в горизонтальной плоскости и одной – в вертикальной.
Горизонтальные составляющие вычисляются как произведение
площади проекции криволинейной поверхности на соответствующую
вертикальную плоскость и давления в центре тяжести этой площади.
При определении вертикальной составляющей вводится понятие "тело
давления", которое представляет собой вертикальный столб жидкости,
ограниченный криволинейной поверхностью и ее проекцией на свободную поверхность. Вертикальная составляющая силы давления равна
весу жидкости, занимающей объем тела давления. Линия действия вертикальной составляющей проходит через центр тяжести тела давления.
Закон Архимеда определяет, условия, при которых тело плавает.
Для того чтобы при получении крена плавающее тело восстанавливало
свое прежнее положение, сила тяжести и сила поддержания (Архимедова подъемная сила) должны при крене создавать восстанавливающий
момент. Способность плавающего тела восстанавливать свое первоначальное положение называется остойчивостью.
Тема 3. Динамика идеальной жидкости
Движение идеальной жидкости описывается дифференциальными
уравнениями Эйлера, которые дают общую зависимость между скоростями и ускорениями движущихся частиц жидкости и силами, действующими на эти частицы.
В случае движения элементарной струйки идеальной жидкости в
поле силы тяжести интегрирование дифференциальных уравнений Эйлера дает основное уравнение гидродинамики – уравнение Бернулли.
Уравнение Бернулли по своему физическому смыслу представляет собой частный случай закона сохранения энергии. Нужно уяснить физический и энергетический смысл каждого члена уравнения Бернулли. В
нем, как правило, все члены относятся к единице веса. В этом случае
16
они имеют линейный размер, необходимо для данной размерности
уравнения твердо усвоить геометрический смысл каждого члена.
При распространении уравнения Бернулли на поток жидкости возникает ряд трудностей. В этом случае уравнение Бернулли составляется
для двух сечений потока. При решении практических задач одно из расчетных сечений нужно брать там, где все параметры потока известны.
При истечении через малые отверстия принимается, что давление
по его площади остается постоянным. Данное допущение можно принять, если диаметр отверстия d 0,06H . Приняв давление по площади
отверстия постоянным, для вывода расчетных формул можно использовать уравнение Бернулли. То же относится к насадкам. Насадками называются небольшие по длине трубы l 3 6 d , присоединенные к
таким отверстиям.
Разбирая и применяя расчетные формулы, необходимо уяснить и
усвоить характер и особенности движения жидкости при истечении:
какими причинами вызывается сжатие струи, где и вследствие каких
явлений образуется вакуум в насадке и пр.
Следует также знать физический смысл коэффициентов сжатия,
скорости и расхода. Необходимо также знать, как определяется скорость истечения экспериментальным путем, уметь сформулировать те
задачи, которые решаются при описании истечения из больших отверстий, истечении под уровень, опорожнении сосуда.
Гидравлический удар возникает при внезапном изменении скорости потока в напорном трубопроводе. При внезапном изменении сечения трубопровода – закрытии или открытии затвора – может возникнуть
настолько большое повышение давления, что трубопровод разрушится.
Различают прямой удар, когда время закрытия затвора меньше фазы
гидравлического удара – времени пробега ударной волны от затвора к
резервуару и обратно, и непрямой удар, когда время закрытия затвора
больше фазы ударной волны.
Зависимость величины ударного повышения давления от плотности жидкости и скорости распространения ударной волны впервые была
получена Н.Е. Жуковским.
Для предупреждения вредных последствий гидравлического удара
применяются меры борьбы с ударным повышением давления. Их необходимо твердо усвоить и знать область возможного применения каждого из них.
Тема 4. Динамика вязкой несжимаемой жидкости
Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости учитывают силы поверхностного трения. Интегрирование их возможно в ограниченном числе случаев. Поэтому при решении практических задач
17
используется уравнение Бернулли для одномерного течения вязкой
жидкости. Главные отличия – наличие члена, учитывающего потери
энергии на преодоление сил трения и коэффициента кинетической энергии (коэффициента Кориолиса), который дает поправки в связи с тем,
что скоростной напор в уравнении вычисляется по средней скорости.
При течении вязкой жидкости в трубе наблюдаются два режима
течения жидкости. При движении вязкой жидкости энергия, затрачиваемая на преодоление сил трения, превращается в тепловую, которая
рассеивается в окружающей среде. При малых скоростях движения
жидкости в трубопроводе количество энергии, превратившейся в тепловую, небольшое и оно успевает выделиться в окружающую среду за
счет молекулярного переноса. Движение жидкости при этом сохраняется послойным, упорядоченным и называется ламинарным. При больших
скоростях молекулярный перенос не обеспечивает выделение энергии в
окружающую среду, основное количество энергии передается из центра
потока на периферию за счет молярного переноса – движения объемов
жидкости. При этом струйность, устойчивость движения нарушаются,
возникает интенсивное перемешивание жидкости в поперечных сечениях потока – такой неупорядоченный поток называется турбулентным.
Наличие того или иного режима течения, переход одного движения
в другое определяется тремя параметрами, входящими в критерий (число) Рейнольдса: средней скоростью движения жидкости, диаметром
трубопровода и кинематической вязкостью. Нужно знать критическое
значение числа Рейнольдса и его физический смысл.
При ламинарном движении частицы жидкости в потоке движутся
слоями параллельно оси трубы без перемешивания. Для такого потока
можно, используя общий закон распределения касательных напряжений
и закон Ньютона, получить дифференциальные уравнения, которые интегрируются. В результате теоретически получаются формулы для определения средней и максимальной скоростей, потерянного напора на
преодоление сил трения, коэффициента Кориолиса, коэффициента гидравлического трения в формуле Дарси. Теоретические результаты подтверждаются опытом.
Турбулентный режим движения жидкости характеризуется беспорядочным, хаотичным движением жидкости. Скорость частиц жидкости
в турбулентном потоке непрерывно изменяется по величине и направлению. При расчетах турбулентных потоков оперируют средники скоростями. Если расход жидкости, например, при турбулентном потоке в
трубе, во времени остается постоянным, то постоянной остается также
средняя скорость. Сложность явлений не позволила до сих пор создать
удовлетворительную теорию турбулентного движения, вытекающую из
18
основных уравнений гидродинамики. Все выводы и расчетные формулы
получены экспериментально при исследовании упрощенных моделей
турбулентного движения».
При изучении турбулентного потока необходимо уяснить, что он
возникает тогда, когда молекулярный перенос энергии не в состоянии
вывести из потока в окружающую среду энергию сил тренья, когда основной перенос энергии начинает осуществляться молярным переносом, вызывающим беспорядочное движение частиц жидкости в потоке –
турбулентную пульсацию.
Вблизи стенки турбулентный поток существовать не может. Около
стенки жидкость движется ламинарно, образуя так называемый ламинарный подслой.
Структурой потока определяются его поле скоростей и касательные напряжения.
Потери напора на трение по длине трубы при турбулентном движении определяются также по формуле Дарси. Главным вопросом темы
является определение коэффициента гидравлического трения в формуле
Дарси. Коэффициент гидравлического трения при ламинарном движении зависит только от значения числа Рейнольдса; при турбулентном
движении в общем случае – от значения числа Рейнольдса и величины
относительной шероховатости, т.е. отношения эквивалентной высоты
неровностей на стенке трубопровода к его диаметру.
Впервые наиболее полно данная зависимость была раскрыта в экспериментальных исследованиях Никурадзе, которые проведены на трубах с искусственной равномерной зернистой шероховатостью. Опыты с
реальными трубами показали, что результаты экспериментов Никурадзе
с точно заданной шероховатостью нельзя непосредственно использовать в расчетных зависимостях. Было введено понятие эквивалентной
шероховатости.
На графиках Никурадзе и графиках, которые были получены при
исследовании реальных труб, можно выделить пять зон:
1. Зона ламинарного движения, которая располагается при
0 < Re < 2320, где
64
.
Re
2. Зона неопределенного движения. Характерным для этой зоны
является неустойчивость движения, когда на отдельных участках возникают области турбулентного режима, развиваются и пропадают и снова
возникают. В результате неустойчивости изменяется во времени . Не
рекомендуется проектировать трубопроводы с движением в зоне неопределенного движения. Для этой зоны критерий Рейнольдса лежит в
пределах от 2320 до 4000.
Для турбулентного движения характерны три зоны.
19
3. Зона гидравлически гладких труб при 4000
Re
10d
. Поток в
э
этой зоне имеет турбулентное ядро и пристенный ламинарный подслой,
который имеет толщину больше, чем шероховатость. В этой зоне зависит только от числа Рейнольдса и вычисляется, например, по формуле
0,3164
Блаузиса:
.
Re0,25
4. Переходная зона, в которой коэффициент гидравлического трения зависит от критерия Рейнольдса и относительной шероховатости.
10d
500d
Пределы зоны
. В этой зоне ламинарный подслой по
Re
э
э
толщине равен или меньше выступов шероховатости.
Для реальных технических труб в этой зоне может быть рекомен0,25
68
дована формула Альтшуля:
.
0,11 э
d Re
5. Зона квадратичной зависимости сопротивления от скорости,
для которой характерны большие значения критерия Рейнольдса
500d
Re
. В этой зоне коэффициент гидравлического трения зависит
э
только от шероховатости стенок труб.
Для данной зоны рекомендуется при расчетах использовать фор0,25
э
мулу Шифринсона:
.
0,11
d
При расчетах систем встречаются все случаи движения жидкости.
Изучая данную тему, очень важно не только понять физические основы
явлений, но и научиться правильно решать вопросы, связанные с расчетом потерь напора, возникающих при гидравлическом трении, так называемых потерь напора по длине.
Местные сопротивления возникают на коротких участках трубопроводов, где вследствие изменения сечения, формы и направления оси
трубопровода происходит изменение величины и направления скорости
жидкости. Потери энергии в местных сопротивлениях, отнесенные к
единице веса жидкости, называются потерями напора. Потери напора в
местных сопротивлениях вызываются потерями трения и вихревыми
потерями. Характер потока и потери зависят от вида местного сопротивления.
Величина местных гидравлических сопротивлений определяется
V2
по формуле Вейсбаха: hм
.
м
2g
20
В общем случае коэффициент местного сопротивления м зависит
от формы местного сопротивления, относительной шероховатости стенок, распределения скоростей в потоке перед местным сопротивлением
и после него и от числа Рейнольдса. В большинстве систем имеет место
турбулентный режим, соответствующий пятой зоне квадратичной зависимости сопротивления от скорости. В квадратичной зоне коэффициент
местного сопротивления м не зависит от числа Рейнольдса – проявляется автомодельность. В таблицах справочных данных по местным сопротивлениям приводятся значения м, отнесенные к турбулентному
течению.
При нескольких местных сопротивлениях, расположенных последовательно, общее сопротивление находится как их сумма. Однако при
расчетах нужно всегда помнить, что суммирование допустимо только в
тех случаях, когда нет взаимного влияния местных сопротивлений. Как
правило, зона взаимного влияния составляет по длине (30 ÷ 40) d. Если
расстояние между местными сопротивлениями меньше этого размера,
следует вводить поправочные коэффициенты. В большинстве случаев
взаимное влияние приводит к увеличению потерь напора на преодоление
местных сопротивлений. Взаимное влияние местных сопротивлений необходимо учитывать при проектировании и прокладке трубопроводов.
Любая система, будь то система энергетической установки (например, топливная, охлаждения двигателя, смазки двигателя и т.п.) или
общая состоит из трубопроводов и гидравлических машин. Расчет трубопроводов входит как составная часть в проект системы. Каждый инженер должен знать и уметь выполнить расчеты трубопроводов, так как
в практической деятельности приходится вносить изменения, проводить
реконструкцию той или иной системы.
При расчете напорных трубопроводов используются уравнение
Бернулли и уравнение неразрывности (постоянства расходов) и формулы для расчета потерь напора вследствие гидравлических сопротивлений трения и местных сопротивлений.
Как правило, при расчете простых и сложных трубопроводов рассчитываются и строятся расходные характеристики участков; сложение
расходных характеристик производится графически. Такой метод (расчетно-графический) значительно упрощает решение практических задач. При сложении применяются два простых правила:
- при последовательно включенных участках через них проходит
один и тот же расход. Следовательно, потери напора в таком трубопроводе равны сумме потерь напора на отдельных участках;
- при параллельном соединении участки имеют две общие точки:
узел разветвления и узел соединения. Следовательно, все участки работают при одной и той же потере напора. В таком трубопроводе необхо21
димо, чтобы расходы через узлы разветвления или слияния потоков
равнялись сумме расходов в отдельных ветвях.
Расчет трубопровода можно производить только тогда, кот да есть
конструктивная схема и заданы исходные данные для расчета.
На начальных стадиях расчета, когда неизвестны диаметры участков трубопровода, приходится вести расчет методом последовательных
приближений, так как неизвестен режим движения жидкости. Как правило, первый расчет ведут, приняв, что режим движения жидкости в
участках трубопровода турбулентный, а затем после определения режима движения расчеты уточняются.
Тема 5. Общие сведения о гидравлических системах.
Лопастные гидравлические машины
Приступая к изучению гидравлических машин, необходимо вначале изучить общие сведения о них. Гидравлические машины делятся на
насосы, гидродвигатели и гидроприводы. Насосом называется гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию двигателя в
энергию перекачиваемой жидкости. В гидродвигателе происходит преобразование энергии потока жидкости в механическую энергию на выходном штоке или валу двигателя. В гидроприводе происходит двойное
превращение энергии. Механическая энергия двигателя превращается в
энергию потока жидкости, которая преобразуется в механическую энергию гидропривода.
Все типы, насосов при всем многообразии конструктивных форм
делятся по способу передачи жидкости механической энергии на две
группы: динамические (лопастные) и объемные (насосы вытеснения).
Нужно изучить и усвоить общую классификацию насосов, их специфические особенности и область применения, а также основные параметры, характеризующие рабочие процессы в насосах.
Работа динамических (лопастных) насосов основана на силовом
взаимодействии лопастей рабочего колеса насоса с обтекающим их потоком. Силы взаимодействия лопастей и потока создают вынужденные
вращательные и поступательные движения жидкости, в результате
взаимодействия растут давление и скоростной напор – увеличивается
энергия потока жидкости.
В середине ХVIII в. Л.Эйлером создана приближенная струйная
теория лопастных насосов. На ее основе Л. Эйлером впервые выведено
основное уравнение лопастных насосов, которое связывает напор насоса
со скоростями движения жидкости во входном и выходном сечениях
рабочего колеса насоса. Скорости движения жидкости зависят от подачи, частоты вращения рабочего колеса, от его геометрии и условий под22
вода. Это уравнение позволяет определить основные геометрические
размеры рабочего колеса насоса по заданному напору и подаче.
Струйная теория позволяет получить только теоретические характеристики насоса. Сложность условий протекания жидкости в рабочем
колесе не дает возможности расчетным путем получить действительные
характеристики лопастных насосов. Их рабочие характеристики могут
быть получены только экспериментальным путем в результате испытания насоса на стенде. Как правило, проводятся испытания моделей. Для
перехода от данных, полученных на моделях, к натурным насосам используется общая теория гидродинамического подобия применительно
к лопастным насосам.
Теория подобия позволяет определить параметр, который остается
одинаковым для всех геометрически подобных насосов при их работе
на подобных режимах. Этот параметр – коэффициент быстроходности.
Необходимо твердо усвоить, по какой формуле он вычисляется, на какие
типы подразделяются лопастные насосы в зависимости от его величины.
Из-за чрезмерного падения давления на всасывающей стороне насоса может возникнуть кавитация. Она вызывает вибрацию, шум, толчки в подаче и сопровождается разрушением элементов конструкции
насосов: лопастей, дисков, рабочих колес, валов. Необходимо знать меры по борьбе с кавитацией.
При работе лопастного насоса возникают радиальные и осевые силы, воздействующие на рабочее колесо. Необходимо усвоить причины,
их вызывающие, и методы их компенсации.
При больших коэффициентах быстроходности внешний и внутренний диаметры рабочего колеса становятся практически равными.
Такой насос называется осевым. Нужно освоить особенности рабочего процесса осевых насосов, знать их конструкцию и область применения.
Рабочий процесс вихревых насосов имеет ряд особенностей. Многократное прохождение одного и того же объема жидкости между лопатками позволяет получить напор в вихревых насосах в 3–7 раз больше, чем в центробежных при тех же размерах и частоте вращения. Вихревые насосы обладают способностью к самовсасыванию.
Гидродинамический привод представляет собой гидромашину, состоящую из центробежного насоса и лопастной гидротурбины, предельно сближенных в одном корпусе. Он предназначен для передачи механической энергии с вала двигателя на вал приводной машины.
По принципу действия гидродинамические передачи делятся на
два вида: гидродинамические муфты и гидродинамические трансформаторы.
23
Двигатель в сочетании с гидромуфтой более полно удовлетворяет
требованиям приводной машины. Для практики имеют значение выходная характеристика агрегата двигатель – гидромуфта, методы регулирования гидромуфт.
Гидротрансформатор отличается от гидромуфты тем, что в его
проточной части, кроме насосного и турбинного колес, установлен неподвижный направляющий аппарат. Лопатки этого направляющего аппарата (реактора), отклоняя жидкость, изменяют момент количества
движения. Результатом этого является преобразование крутящего момента.
Основные внешние параметры гидротрансформатора – крутящие
моменты на ведущем и ведомом валах.
Тема 6. Машины объемного принципа действия
В гидростатических (объемных) насосах механическая энергия передается за счет изменения объема рабочей камеры. При вытеснении
поршнем, плунжером, лопаткой или другим рабочим органом жидкости
из рабочей камеры ей сообщается главным образом потенциальная
энергия давления. Объемные насосы делятся на два класса: поршневые
(клапанные) и роторные (бесклапанные).
В поршневых насосах осуществляется возвратно-поступательное
движение поршня или плунжера при помощи кривошипно-шатунного
механизма. Скорость поршня и подача насосов при этом получаются
неравномерными. Необходимо знать способы построения графиков
мгновенной подачи поршневых насосов однократного и многократного
действия, методы определения неравномерности и способы сглаживания неравномерности подачи жидкости к потребителю.
Шестеренчатые насосы выполняются с внешним и внутренним зацеплением. Наибольшее распространение имеют насосы внешнего зацепления, они просты в изготовлении, могут исполняться на давления
10 МПа и выше, имеют высокий общий КПД (0,87–0,90).
При изучении этого типа насоса необходимо освоить закономерности, определяющие подачу; особое внимание обратить на причины,
приводящие к компрессии жидкости во впадинах шестерен, и конструктивные решения для отвода из впадин запертой жидкости. Нужно также
понять принцип действия шестеренчатых насосов с внутренним зацеплением и знать область их применения.
В результате изучения шиберных (пластинчатых) насосов нужно
знать конструкцию, принцип действия, зависимости, описывающие подачу, силы, действующие на ротор пластинчатого насоса, и область
применения.
Более равномерную подачу жидкости можно получить, применяя
многоцилиндровые роторно-поршневые машины. Цилиндры таких на24
сосов могут располагаться радиально и аксиально по отношению к оси
вращения. Данные насосы существенно отличаются от поршневых: они
не имеют клапанов, могут работать в режиме насоса или двигателя,
имеют высокие обороты, позволяют изменять подачу при заданных
оборотах. Вследствие их особенностей многоцилиндровые роторнопоршневые гидромашины нашли широкое применение в гидроприводах.
Силовые гидродвигатели предназначены для преобразования потенциальной энергии жидкости в механическую энергию движения выходного звена. Они работают по поршневому принципу и являются
элементами объемной гидропередачи.
Силовые гидродвигатели с возвратно-поступательным движением
выходного звена называются гидроцилиндрами, а с неограниченным
вращательным движением выходного звена – гидромоторами. Объѐмные гидравлические машины (ОГМ), допускающие эксплуатацию, как в
режиме насоса, так и в режиме гидромотора, называются насосамимоторами.
Рабочие камеры ОГМ образуются различными конструктивными
парами, например: поршень – цилиндр, зуб – впадина, смежные витки
винтовых поверхностей и другие. При увеличении объема рабочих камер у насосов осуществляется процесс всасывания, а у гидродвигателей – нагнетания. При уменьшении объема происходит процесс нагнетания у насосов и слива у гидродвигателей. Попеременное увеличение и
уменьшение объема рабочих камер, а также их замыкание и перенос в
пространстве составляют полный рабочий цикл ОГМ. Если за один оборот вала гидромашины в каждой рабочей камере осуществляется несколько рабочих циклов, то такая ОГМ называется гидромашиной многократного действия.
Процессы всасывания и нагнетания рабочей жидкости осуществляются с помощью распределительных устройств, обеспечивающих
соединение рабочих камер с магистралями гидросистемы. В ОГМ применяются три типа распределительных устройств: клапанные, клапаннощелевые и золотниковые. Последние выполняются в виде цапф, торцовых распределителей с плоской или сферической рабочей поверхностью, а также в виде цилиндрических золотниковых распределителей.
Некоторые ОГМ, такие, как винтовые и шестеренные, не имеют распределительных устройств. Тип распределителя определяет возможность
реверсирования ОГМ, т.е. возможность изменения направления движения потока при постоянном направлении вращения входного звена для
насоса или возможность изменения направления вращения выходного
звена гидромотора при постоянном направлении потока. Как правило,
25
реверсивные ОГМ бывают регулируемыми, т.е. в процессе эксплуатации можно изменять величину рабочего объема гидромашин и тем самым управлять характеристиками ОГМ. Регулируемость, реверсивность
и обратимость гидромашин являются важными эксплуатационными
характеристиками.
Наиболее широко в приводах мобильных машин применяют ОГМ,
у которых детали рабочей камеры (звенья) совершают простое или
сложное вращательное движение. Такие ОГМ называют роторными.
Принадлежность гидромашин к той или иной классификационной группе определяется формой рабочих звеньев, их кинематикой и конструктивными особенностями машины.
К группе роторно-вращательных ОГМ относятся гидромашины, у
которых рабочие камеры совершают только вращательное движение.
Эта группа объединяет шестеренные и винтовые ОГМ. Шестеренные
гидромашины выполняются на базе двух или нескольких зубчатых колес с внешним либо внутренним зацеплением. У винтовых гидромашин
рабочие камеры образуются винтовыми поверхностями и корпусом. В
зависимости от числа винтов, входящих в конструкцию, различают одно-, двух- и многовинтовые ОГМ.
К группе роторно-поступательных ОГМ относятся гидромашины, у
которых подвижные рабочие звенья совершают сложное движение:
вращательное и возвратно-поступательное. Рабочие звенья могут иметь
форму пластин или поршней (пластинчатые или поршневые гидромашины соответственно). Если в конструкции ОГМ оси поршней располагаются перпендикулярно к оси блока цилиндров, гидромашину относят
к группе радиально-поршневых. Если же оси поршней параллельны оси
блока цилиндров или составляют с ней угол не более 45°, то такие ОГМ
называют аксиально-поршневыми. Аксиально-поршневые гидромашины выполняются по двум основным схемам: с наклонным диском или с
наклонным блоком цилиндров. В первом случае оси блока цилиндров и
вала насоса лежат на одной прямой, а во втором – образуют ломаную
линию.
В некоторых ОГМ рабочие камеры располагаются в нескольких параллельных плоскостях, перпендикулярных оси вала. Такие гидромашины называются многорядными.
Показатели работы ОГМ можно разделить на внешние – крутящий
момент М, частота вращения , мощность N M входного или выходного звена гидромашины и внутренние – давление в линии нагнетания p1, давление в линии всасывания (слива) р2, объемная подача Q и
мощность потока Nп Q p , где p p1 p2 .
26
Соотношение мощностей N и Nп определяет величину потерь энергии и КПД гидромашины
0 и
г мех– соответственно
0 г.мех , где
объемный и гидромеханический КПД.
Связи между внешними и внутренними показателями гидромашины устанавливаются с помощью характерного объема w, под которым
понимается суммарное увеличение объемов рабочих камер, приходящееся на один радиан угла поворота вала гидромашины.
Наряду с характерным объемом используется понятие рабочий объем
q w2 .
Рабочий объем приблизительно равен подаче насоса, приходящейся на один оборот вала, и зависит только от конструктивных особенностей ОГМ.
Компрессоры – это машины, предназначенные для сжатия газов и
перемещения их к потребителям по трубопроводным системам.
Компрессоры, применяемые для отсасывания газа из емкостей с вакуумом, сжимающие газ до атмосферного или несколько большего давления, называют вакуум-насосами.
Основными параметрами, характеризующими работу компрессора,
являются объемная подача Q (исчисляется обычно при условиях всасывания), начальное р1 и конечное p2 давления или степень повышения
давления =р2 / р1, частота вращения n и мощность N на валу компрессора.
По способу действия компрессоры делят на три основные группы:
объемные, лопастные и струйные.
При классификации по конструктивному признаку объемные компрессоры подразделяются на поршневые и роторные, а лопастные – на
центробежные и осевые.
Наименьшее количество работы затрачивается в компрессорном
процессе с изотермическим сжатием, поэтому компрессоры делают охлаждаемыми.
Совершенство компрессорного процесса оценивают при помощи
относительных термодинамических КПД – изотермического T и изоэнтропного а.
Изотермический КПД T применяют для оценки компрессоров с
интенсивно действующим водяным охлаждением (поршневых и роторных). Для этих компрессоров изотермический процесс, обладающий
наименьшей удельной энергией, является эталонным.
Компрессоры с неинтенсивным охлаждением (центробежные и
осевые) оцениваются при помощи изоэнтропного КПД а. Это объясняется тем, что для компрессоров этого типа изоэнтропный процесс является наиболее адекватным.
27
Тема 7. Гидроаппаратура и другие элементы систем
Гидроаппаратура – это всевозможные устройства, предназначенные для регулирования потоков жидкостей. В зависимости от назначения различают направляющие гидроаппараты и регулирующие.
Направляющие гидроаппараты предназначены для изменения направления потока рабочей жидкости путем полного открытия или полного закрытия рабочего проходного сечения. К ним относятся гидрораспределители, гидроусилители, гидроклапаны (обратные, выдержки
времени, последовательности, логические) и гидрозамки. С помощью
направляющих гидроаппаратов осуществляют пуск, изменение направления движения и остановку исполнительных механизмов машин.
По конструкции запорно-регулирующего элемента гидроаппараты
разделяют на золотниковые, крановые и клапанные.
Основными параметрами направляющих гидроаппаратов являются
номинальный расход Qном, номинальное давление рном и условный проход Dy.
Для ограничения или регулирования расхода жидкости в гидроприводах применяются дроссельные устройства, которые представляют собой гидравлические сопротивления. В качестве дроссельных устройств
могут выступать нерегулируемые гидравлические сопротивления (гидравлические демпферы), и регулируемые гидравлические сопротивления
(дроссели).
Тема 8. Объемный гидропривод. Схемы гидроприводов
и способы регулирования скорости. КПД гидропривода
Гидростатический (объемный) гидропривод предназначен для передачи при помощи объемных гидромашин механической энергии двигателя к исполнительным механизмам. Объемные гидроприводы обладают высоким быстродействием, незначительными размерами и небольшой массой. Полный КПД объемного гидропривода сравнительно
высок и равен 80–85% и выше.
В зависимости от типа гидродвигателя (силовой гидроцилиндр или
роторный гидромотор) различают гидроприводы возвратно-поступательного и вращательного движения выходного звена. Схема гидропривода может быть открытой, с аккумулирующим рабочую жидкость баком, и закрытой, когда бак в системе отсутствует.
При изучении данного раздела необходимо рассмотреть принцип
действия, способы их регулирования и конструктивные схемы основных
агрегатов систем гидростатических приводов автомобилей. Познакомиться с методами составления математических моделей гидромеханических систем.
28
Тема 9. Пневматическая система
Изучая пневматические системы (ПС) под которыми понимают
группу аппаратов, предназначенных для производства, накопления,
контроля и потребления сжатого воздуха, необходимо обратить внимание на их преимущества, по сравнению с гидравлическими системами.
В первую очередь это использование в качестве рабочего тела воздуха,
который легко доступен, дешев и после использования может быть возвращен в окружающую среду без ущерба для нее. Он не агрессивен по
отношению к конструкционным материалам, из которых изготавливаются элементы системы, пожаро- и взрывобезопасен. Сжатый воздух
обладает высокой потенциальной энергией, поэтому баллоны, наполненные им, являются аккумуляторами энергии. Разряжая эти аккумуляторы в течение короткого промежутка времени можно получить высокую мощность с помощью недорогого, легкого, компактного, простого в
обслуживании пневматического двигателя.
Если зарядку пневматического аккумулятора осуществлять более
продолжительно, то достаточно малой мощности, затрачиваемой на
привод компрессора.
Основным назначением ПС является использование энергии сжатого воздуха для обеспечения высокой эффективности торможения.
При изучении данного раздела следует обратить внимание на состав пневматических систем, особенности их эксплуатации в холодное
время года, а также рассмотреть принципы действия аппаратов пневматического привода тормозов.
3.3. Методические рекомендации по самостоятельному
выполнению практических заданий
Методические рекомендации по выполнению практических заданий для студентов очной формы обучения изложены в руководстве к
практическим занятиям /4/.
Студентам заочной формы обучения для закрепления и углубления
теоретических знаний, полученных в процессе самостоятельной работы
студента с литературой, предлагается выполнить пять задач по следующим разделам курса: гидравлический удар, гидростатика, гидравлический расчет систем, насосы и их работа на сеть. Методические указания
по выполнению контрольных работ, список задач и справочные данные
приведены в приложении.
29
3.4. Контрольные вопросы для самопроверки знаний
3.4.1. Раздел 1. Основы гидравлики
Тема 1. Основные понятия и законы
1. Чем, принципиально, отличается жидкость от твердых тел?
2. Что подразумевают под термином «текучесть»?
3. От чего зависит плотность жидкости?
4. Что характеризует вязкость?
5. Как связаны между собой динамический и кинематический коэффициенты вязкости, и каковы их размерности?
6. Чем определяется дополнительное давление, возникающее в каплях?
7. Что характеризует температурный коэффициент объемного расширения?
8. Какое явление назвали кавитацией, и какова его природа?
9. Какое течение называют установившимся?
10. Какой вид имеет уравнение неразрывности для несжимаемой
жидкости?
11. Что называют линией тока?
12. Что понимают под скоростью деформационного движения жидкости?
13. Чем характеризуют скорость деформационного движения жидкости?
14. Какие классы сил действуют в жидкостях?
15. Как трактуется индекс n у вектора напряжения Pn ?
16. О чем говорит обобщенный закон трения Ньютона?
17. Чему равны касательные напряжения в неподвижной жидкости?
18. Что описывает уравнение Навье-Стокса?
19. Что понимают под гидродинамическим давлением в жидкости?
20. Какие явления считаются подобными?
21. В каких случаях используют критериальные уравнения?
Тема 2. Гидростатика
1. Как формулируется закон Паскаля? Назовите технические устройства, принцип действия которых основан на этом законе?
2. Какое уравнение определяет давление в жидкости, находящейся
в покое?
3. Какую величину называют гидростатическим давлением?
4. Как определить величину избыточного давления при помощи жидкостного U-образного манометра?
30
5. Где находится центр давления на пластину, погруженную в жидкость под некоторым углом?
6. Что понимают под термином «объем тела давления»?
7. Какой закон лежит в основе определения плотности жидкости с
помощью ареометра?
8. В чем различие между центром тяжести тела и центом водоизмещения?
Тема 3. Динамика идеальной жидкости
1. Какую жидкость в гидравлике называют идеальной?
2. Что называют потенциалом векторного поля?
3. Какую жидкость считают баротропной?
4. При каких условиях интеграл Бернулли преобразуется в уравнение Бернулли?
5. Для какого вида движения идеальной жидкости получен интеграл Бернулли? В чем состоит его физический смысл?
6. С какой целью в уравнение Бернулли вводят коэффициент кинетической энергии?
7. Что является причиной потери напора, при движении реальной
жидкости по трубам и каналам?
8. Чем отличается свободная струя жидкости от затопленной?
9. Что учитывает коэффициент расхода отверстия, и в каких пределах он изменяется?
10. Как рассчитывают объемный расход жидкости, вытекающей из
отверстия?
Тема 4. Динамика вязкой несжимаемой жидкости
1. Какую жидкость называют несжимаемой?
2. Какой вид имеет уравнение движения вязкой несжимаемой жидкости?
3. Какие режимы движения вязких жидкостей Вы знаете, и в чем
различия между ними?
4. Что понимают под турбулентной вязкостью и от чего она зависит?
5. Что понимают под термином «профиль скорости» потока? Какой вид он принимает в различных режимах течения?
6. Какой вид имеет критерий Рейнольдса?
7. Какую зависимость используют для определения потери давления, обусловленной трением жидкости о стенки канала?
8. Какую зависимость используют для определения потери давления в местных сопротивлениях?
9. Когда шероховатость стенок трубы не оказывает влияние на сопротивление трению?
31
10. От каких факторов зависит коэффициент гидравлического трения?
11. При каком условии наблюдается ламинарное течение жидкости
в трубах?
12. В каких случаях в расчетные зависимости вводят эквивалентный
диаметр?
13. Что характерно для квадратичной области течения?
14. Какой трубопровод называют сифонным?
15. Какой трубопровод называют коротким, и как определяют потери давления в нем?
16. Чему равен располагаемый напор для трубопровода постоянного
сечения?
17. Как выполняют построение характеристики трубопровода, состоящего из последовательно соединенных простых трубопроводов
разного диаметра?
18. Какие уравнения лежат в основе построения характеристики
системы, состоящей из параллельных трубопроводов?
19. Какой вид имеет кривая потребного напора для разветвленного
трубопровода?
20. В результате чего возникает гидравлический удар?
21. Какие меры предусматривают для предотвращения или уменьшения негативных последствий гидравлического удара?
22. Что понимают под распылением жидкости?
23. Какой вид имеет критерий Вебера, и каков его физический смысл?
24. Что, согласно Релею, имеет решающее значение для распада струи?
25. На чем основан принцип действия струйного насоса?
26. В чем различие между эжектором и инжектором?
27. Что назвали коэффициентом эжекции?
28. Как определяют КПД эжектора и инжектора?
3.4.2. Раздел 2. Гидравлические и пневматические
системы автомобилей
Тема 5. Общие сведения о гидравлических системах.
Лопастные гидравлические машины
1. В чем состоит различие между насосом и гидродвигателем?
2. К какому типу относят центробежные насосы?
3. Какие величины относят к основным параметрам насосов?
4. От чего зависит КПД насоса?
5. На чем базируется вывод основного уравнения турбомашин?
6. Что собой представляют характеристики насосов, и для чего они
служат?
7. Как связаны у подобных насосов подачи, напоры и мощности?
8. Для чего служат условия пропорциональности?
32
9. Какие способы влияния на напорную характеристику центробежного насоса Вы знаете?
10. Что называют полем насоса?
11. Что является целью энергетических испытаний насоса?
12. Как определяют «рабочую точку» насоса при работе его на сеть?
13. Назовите способы регулирования подачи центробежного насоса.
14. Какое явление возникает в насосе при понижении абсолютного
давления в нем до значения, ниже давления насыщения (при данной
температуре)?
15. Что понимают под термином «кавитационный запас»?
16. Какие меры предусматриваются для предотвращения кавитации
в насосах?
17. За счет чего напор, создаваемый вихревым насосом, выше, чем у
центробежного насоса, при прочих равных условиях?
18. Что называют гидродинамической передачей, и в чем ее преимущества перед другими видами трансмиссий?
19. В чем отличие однопоточной гидродинамической передачи от
двухпоточной?
20. Как называют гидродинамическую передачу, которая передает
крутящий момент с ведущего вала на ведомый без изменения?
21. Что называют коэффициентом трансформации крутящего момента?
22. В чем состоит условие передачи момента гидродинамической
передачей?
23. Что понимают под термином «скольжение»?
24. Как называют характеристику гидротрансформатора, у которого
момент на ведущем валу слабо зависит от передаточного отношения?
25. Какие из безразмерных коэффициентов используют в качестве
основных при проектировании гидродинамических передач?
26. Что называют коэффициентом перегрузки гидромуфты?
27. В чем преимущества комплексного гидротрансформатора над
некомплексным?
28. На каких транспортных средствах используют прозрачные (с
малым значением коэффициента прозрачности) гидротрансформаторы?
Тема 6. Машины объемного принципа действия
1. В чем состоит принцип действия объемных гидромашин?
2. Какими общими свойствами обладают насосы объемного принципа действия?
3. Как называют наибольшее избыточное давление, при котором
устройство должно работать в течение установленного ресурса с сохранением параметров в пределах установленных норм?
33
4. Какой параметр является главным у серийно выпускаемых объемных насосов?
5. Как оценивают неравномерность подачи поршневых насосов?
6. Какими преимуществами обладают шестеренчатые насосы?
7. К каким последствиям приводит запирание жидкости между
зубьями шестерен, и как устраняют это явление?
8. Какими достоинствами и недостатками обладают пластинчатые
насосы?
9. С какой целью увеличивают число пластин в роторно-пластинчатых насосах?
10. Для чего используют силовые гидродвигатели?
11. Как осуществляют регулирование подачи аксиально-поршневого насоса?
12. Как осуществляют регулирование подачи радиально-поршневого насоса?
13. Как увеличивают ход штока силового гидроцилиндра?
14. Какие параметры характеризуют работу компрессора?
15. Почему для получения сжатого газа высокого давления используют многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением?
16. С какой целью в поршневых компрессорах цилиндры выполняются с «мертвым пространством»?
17. Как наличие «мертвого пространства» сказывается на подаче компрессора?
18. Какие способы применяют для регулирования подачи поршневого компрессора?
19. От чего зависит подача пластинчатого компрессора?
Тема 7. Гидроаппаратура и другие элементы систем
1. Какие функции выполняет гидроаппаратура?
2. На какие типы в соответствие с запорно-регулирующим элементом подразделяют гидроаппараты?
3. Что является основными параметрами направляющих гидроаппаратов?
4. Что понимают под условным проходом?
5. В чем преимущества гидрораспределителей золотникового типа?
6. Что означают цифры в обозначении гидрораспределителей, например 4/2?
7. Что определяет регулировочная характеристика золотника?
8. На что влияет коэффициент усиления по расходу?
9. Что показывает гидравлическая характеристика золотника?
10. Для чего используют дроссельные устройства?
11. С какой целью в гидравлических системах устанавливают гидроаккумуляторы и блоки питания?
34
Тема 8. Объемный гидропривод. Схемы гидроприводов и способы
регулирования скорости. КПД гидропривода
1. Как классифицируют объемные гидроприводы на соответствие
задачам управления?
2. Какие способы используют для управления объемного гидропривода?
3. Опишите основные статические характеристики объемного гидропривода. Для чего каждая из них служит?
4. В чем состоят преимущества и недостатки объемного гидропривода?
5. Что оказывает влияние на КПД нерегулируемого гидропривода?
6. Что понимают под «просадкой» гидропривода?
7. Как можно осуществить бесступенчатое регулирование частоты
вращения или скорости перемещения рабочего органа гидропривода?
8. Для чего в дроссельных устройствах золотникового типа делают ширину пояска плунжера меньше ширины окна?
9. Где предпочтительней ставить дроссель в случае его последовательного включения?
10. В каких случаях предпочтение отдают гидроприводу с дроссельным регулированием?
11. Как называют гидропередачи, оборудованные автоматическими
системами управления движения рабочего органа гидродвигателя по
сигналу, поступающему извне?
12. Что называют сервоприводом, и для чего его используют?
13. Какая система автомобиля обозначается аббревиатурой ABS, и
для чего она предназначена?
14. Из каких компонентов состоит ABS, и каковы их функции?
15. Определите назначение автоматической трансмиссии автомобиля и назовите ее основные элементы.
16. Что представляет собой гидромеханическая цепь? С какой целью ее составляют?
17. По каким признакам классифицируют элементы гидромеханических цепей?
18. Каковы правила составления гидромеханической цепи?
19. Какие уравнения лежат в основе анализа цепи по правилу узлов?
20. Что лежит в основе анализа цепи по правилу контуров?
Тема 9. Пневматическая система
1. Каково основное назначение пневматической системы автомобиля?
2. Каковы основные достоинства воздуха как рабочего тела для
пневматической системы?
35
3. Из каких элементов состоит питающая и очистительная система
пневматического привода?
4. Для чего на компрессоре предусмотрено разгрузочное устройство?
5. В чем преимущества и недостатки пневматического привода?
6. От чего зависит время срабатывания пневматических тормозов?
7. Какие функции выполняет тормозной кран?
36
4. СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
4.1. Основная литература
Остренко С.А., Пермяков В.В. Гидравлические и пневматические
системы автотранспортных средств: учебное пособие. – Владивосток:
Изд-во ВГУЭС, 2005. – 284 с.
Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод: учебное пособие.
Ч.1. Основы механики жидкости и газа. 4-е изд., стереотипное. – М.:
МГИУ, 2005. – 192 с.
Лепешкин А.В., Михайлин А.А., Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопроивод: учебник. Ч.2. Гидравлические машины и гидропневмопривод / Под ред. А.А. Шейпак. 3-е изд., стереот. – М.: МГИУ, 2005. –
352 с.
Остренко С.А., Пермяков В.В. Гидравлика, гидравлический привод
и газовая динамика: руководство к практическим занятиям.– Владивосток: Изд-во ВГУЭиС, 2003. – 125 с
4.2. Дополнительная литература
Атлас конструкций гидромашин и гидропередач: учебн. пособие
для студентов машиностроительных специальностей вузов / Б.М. БимБад, М.Г. Кабаков, С.П. Стесин. – М.: ИНФРА-М, 2004. – 135 с.
Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – 2
изд., перераб. – М.: Машиностроение, 1982. – 423 с.;
Остренко С.А. Гидравлические и пневматические системы: учеб.
пособие. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 1999. – 72 с.
Остренко С.А. Гидравлика, гидропривод и пневматические системы: конспект лекций. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2002. – 191 с.
37
5. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Баротропная жидкость – это жидкость, у которой плотность является функцией только давления.
Безразмерная (обобщенная) характеристика гидротрансформатора –
это зависимости коэффициента трансформации, коэффициентов крутящих моментов на ведущем и ведомых валах и КПД от передаточного
отношения.
Блок питания с пневмогидравлическим аккумулятором – устройство,
предназначенное для создания давления в гидролинии управления золотниками гидрораспределителей.
Вакуум-насосы – это компрессоры, применяемые для отсасывания
газа из емкостей с вакуумом, сжимающие газ до атмосферного или несколько большего давления.
Вектор напряжений – величина, равная пределу отношения главного
вектора поверхностных сил к площади, на которую он действует, при
условии, что площадь стремится к нулю.
Вектор объемного действия сил давления – это величина
1
gradp ,
представляющая собой главный вектор сил давлений в данной точке,
отнесенная к единице массы.
Внешняя характеристика гидромуфты – это зависимость момента,
мощности и КПД гидромуфты от числа оборотов ведомого вала, при
постоянной частоте вращения ведущего вала, или от передаточного отношения.
Вязкость – свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу
(скольжению) одного слоя относительно другого.
Геометрическая высота z (геометрический напор) – это удельная потенциальная энергия положения частицы жидкости.
Гидравлическая (пневматическая) система – это совокупность гидравлических машин, гидроаппаратуры и вспомогательных устройств,
соединенных в определенной последовательности трубопроводами. Она
предназначена для выполнения определенных функций, не свойственных каждому из ее элементов, взятому в отдельности.
Гидравлическая характеристика – зависимости потерь давления при
прохождении жидкости через гидрораспределитель от расхода при различных позициях золотника.
38
Гидравлические машины – это машины, которые сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию, либо получают от
жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного
использования.
Гидравлические потери в насосе – потери, обусловлены трением и
вихреобразованием при течении жидкости в проточной части насоса.
Гидравлические цилиндры – это гидравлические двигатели с возвратно-поступательным движением выходного звена.
Гидравлический КПД – отношение действительного напора к теоретическому.
Гидравлический привод – это гидравлическая система, предназначенная для передачи и преобразования механической энергии посредством жидкости.
Гидравлический радиус – это отношение площади живого сечения
потока к смоченному периметру.
Гидравлический расчет трубопровода – это определение параметров
движения жидкости при заданной схеме трубопровода с известными
конструкционными элементами, либо определение размеров трубопровода, обеспечивающих необходимые параметры движения жидкости.
Гидравлический удар – резкое повышение давления, возникающее в
напорном трубопроводе при внезапном торможении потока жидкости.
Гидравлический уклон – это падение удельной энергии на единицу
длины элементарной струйки.
Гидроаккумуляторы – это сосуды, которые накапливают жидкость
под давлением в период, когда подача насоса меньше максимального ее
расхода в системе, и возвращают жидкость под давлением в систему,
обеспечивая вместе с насосом максимальный ее расход.
Гидроаппаратура – это устройства, предназначенные для регулирования потоков жидкостей (распределения, изменения направления движения, регулирования расхода, давления и т.п.).
Гидродинамическая передача – это гидравлическая передача, которая объединяет в одном агрегате две лопастные машины – центробежный насос и гидротурбину.
Гидродинамическое давление в точке – среднее арифметическое нормальных напряжений, действующих на трех взаимно-перпендикулярных
площадках, проходящих через эту точку и расположенных в координатных плоскостях, взятое с обратным знаком.
39
Гидродинамическое сопротивление – это сопротивление движению
тела, действующее со стороны обтекающей его жидкости.
Гидрозамки – это устройства, предназначенные для пропускания
потока рабочей жидкости при отсутствии управляющего воздействия в
одном направлении, а при наличии управляющего воздействия − в обоих направлениях.
Гидромуфта – это гидродинамическая передача, которая передает
крутящий момент без изменения.
Гидропередача – это простейший гидропривод, состоящий из насос
и гидродвигателя, конструктивно составляющих один узел.
Гидростатика – раздел механики жидкости и газа, в котором изучают явления, происходящие в неподвижной жидкости.
Гидротрансформатор – это гидродинамическая передача, которая,
передавая, изменяет крутящий момент.
Давление абсолютное – давление, отсчитываемое от абсолютного
вакуума.
Давление вакуумметрическое (разряжение) – разность между абсолютным давлением, значение которого ниже атмосферного, и атмосферным давлением.
Давление гидростатическое – это давление в неподвижной жидкости.
Давление избыточное (манометрическое) – превышение абсолютного
давления над атмосферным (барометрическим) давлением (разность между ними).
Двухпоточная гидродинамическая передача – это гидродинамическая передача, у которой только часть мощности мощность передается
посредством жидкости, другая часть передается механическим путем,
минуя гидравлические колеса.
Делители потока – это устройства, предназначенные для деления потока жидкости на две части с целью синхронизации движения исполнительных органов независимо от значения действующих в них нагрузок.
Динамический насос – насос, в котором передача энергии потоку
происходит под влиянием сил, действующих на жидкость в рабочих
полостях, постоянно соединенных с его входом и выходом.
Диссипацией энергии – рассеивание энергии, обусловленное трением вязкой жидкости.
40
Допустимая высота всасывания – максимальная высота расположения всасывающего патрубка насоса относительно свободной поверхности жидкости в расходном резервуаре, превышение которой при монтаже приведет к кавитации.
Допустимый вакуум – это допустимое разряжение во всасывающем
патрубке насоса, создаваемое рабочими органами машины, за счет которого жидкость поступает в насос.
Дроссельные устройства – это гидравлические сопротивления, которые применяются в гидроприводах для ограничения или регулирования расхода жидкости.
Живое сечение канала – это сечение, в каждой точке которого векторы скорости частиц жидкости направлены перпендикулярно к нему.
Жидкость – любое вещество, обладающее свойством текучести.
Затопленные струи – струи, которые при истечении смешиваются с
окружающей средой.
Идеальная жидкость – это воображаемая жидкость, лишенная вязкости и теплопроводности. В ней отсутствует внутреннее трение, она
непрерывна и не имеет структуры.
Идеальная подача – подача несжимаемой жидкости в единицу времени при отсутствии утечек через зазоры.
Инжектор – струйный насос, подающий жидкость под давлением в
резервуар.
Кавитационный запас – разность между удельной энергией потока
на входе насоса и энергией, соответствующей давлению насыщения.
Кавитация – образование в движущейся жидкости полостей (каверн), заполненных паром или газом.
Кавитация в насосе – комплекс механических и электрохимических
явлений возникающих в потоке в результате снижения давления ниже
давления насыщения жидкости при данной температуре.
Комплексные гидротрансформаторы – гидравлические трансформаторы, которые могут работать как с преобразованием крутящего момента, так и без его преобразования подобно гидромуфте.
Компрессоры – это машины, предназначенные для сжатия газов и
перемещения их к потребителям по трубопроводным системам.
41
Коэффициент быстроходности – безразмерный комплекс, связывающий частоту вращения, подачу и напор лопастных насосов
Q
ns 3, 65n 3 4 , позволяющий сравнивать их между собой.
H
Коэффициент всасывания (коэффициент эжекции) – отношение секундного количества засасываемой жидкости к соответствующему количеству рабочей жидкости.
Коэффициент кинетической энергии учитывает неравномерность
распределения скоростей по живому сечению потока. Коэффициент
выражает отношение интегральной, т. е. действительной кинетической
энергии весового секундного расхода потока к его средней кинетической энергии, вычисленной по средней скорости в данном сечении.
Коэффициент мультипликации силы (момента сил) гидропривода –
это отношение силы (момента сил) на выходном звене гидродвигателя к
силе (моменту сил) на входном звене насоса.
Коэффициент неравномерности подачи – отношение разности максимальной и минимальной подачи за цикл к средней подаче насоса.
Qmax Qmin
.
Qс р
Коэффициент перегрузки гидромуфты – это отношение максимального момента к моменту, передаваемому на рабочем режиме.
Коэффициент полезного действия – это отношение полезной мощности насоса к потребляемой.
Коэффициент потерь на трение – коэффициент пропорциональности
в законе сопротивления, описываемом формулой Дарси-Вейсбаха. Зависит от режима течения, значений критерия Рейнольдса и относительной
шероховатости.
Коэффициент прозрачности – величина, определяемая отношением
максимального значения момента на насосном колесе к моменту на насосном колесе в точке, где коэффициент трансформации равен единице.
Коэффициент расхода – это отношение действительного расхода
жидкости, протекающей через отверстие, к теоретическому расходу.
Коэффициент сжатия струи – это отношению площади струи в узкой
ее части к площади отверстия.
Коэффициент скорости – это отношение скоростей истечения реальной и идеальной жидкостей.
42
Коэффициент трансформации крутящего момента – это отношение
крутящего момента на ведомом валу к крутящему моменту, приложенному к ведущему валу.
Кривая подобных режимов – это геометрического места точек на
характеристике центробежного насоса, режимы работы в которых, подобны исходному.
Кривыми потребного напора называют графики зависимости потребного напора от расхода [Hпотр=f(Q)].
Критерий Архимеда
gl 3
0
2
Ar характеризует соотношение
0
подъемной силы, обусловленной разностью плотностей слоев жидкости
и силы внутреннего трения.
Критерий Вебера
We
w2 d
характеризует соотношение сил
инерции и поверхностного натяжения.
Критерий подобия – это безразмерный комплекс, составленный из
величин, существенных для данного процесса.
Критерий Рейнольдса wl
wl
Re характеризует соотношение сил инерции и внутреннего трения (вязкости) при вынужденном
движении среды.
Критерий Фруда gl w 2 Fr характеризует соотношение сил инерции и тяжести при вынужденном движении жидкости.
Критерий Эйлера p w 2 Eu характеризует соотношение сил
инерции и давления при вынужденном движении.
Ламинарное течение – это строго упорядоченное, слоистое (без перемешивания) течение жидкости.
Линии тока – линии в области течения, касательные к вектору скорости в каждой точке потока.
Малые отверстия – отверстия, размеры которых значительно меньше глубины погружения их центров тяжести под свободной поверхностью жидкости. Напоры для всех точек таких отверстий считают одинаковыми, равными напорам в центрах тяжести отверстий.
Местные сопротивления – это элементы трубопроводов, в которых
наблюдаются изменения скорости по величине и/или по направлению,
что приводит к местным потерям энергии.
43
Механические потери – потери, вызванные трением нерабочих поверхностей рабочих колес о жидкость, находящуюся в корпусе насоса, а
также механическим трением в подшипниках и уплотнениях.
Механический КПД – отношение внутренней мощности насоса (не
учитывающей гидравлические и объемные потери в нем) к мощности,
подведенной к валу насоса.
Мощность насоса – энергия, подводимая к нему от двигателя за
единицу времени.
Мультипликативный эффект – это способность гидропривода подобно механическому рычагу или зубчатой передаче многократно увеличивать действующую силу.
Напор – это энергия, сообщаемая единице веса жидкости, проходящей через насос.
Направляющие гидроаппараты – это гидроаппараты, предназначенные для изменения направления потока рабочей жидкости путем полного открытия или полного закрытия рабочего проходного сечения.
Насадок – короткий патрубок, присоединенный к отверстию в тонкой стенке.
Насос – это машина, предназначенная для преобразования механической энергии двигателя в энергию потока жидкости.
Насосный агрегат – это насос, оборудованный приводом.
Непрозрачный гидротрансформатор – гидротрансформатор, который не оказывает влияния на работу двигателя при изменении внешней
нагрузки (как бы изолирует двигатель от влияния внешней нагрузки,
действующей на машину).
Непрямой гидравлический удар – гидравлический удар, при котором
ударная волна, отразившись от резервуара, возвращается к крану раньше, чем он будет полностью перекрыт.
Несжимаемая жидкость – это жидкость, плотность которой не меняется.
Ньютоновские жидкости – жидкости у которых между тензором напряжений, зависящим от вязкости, и тензором скоростей деформаций
имеется линейная связь.
Обратные клапаны – это устройства, предназначенные для пропускания рабочей жидкости только в одном направлении.
44
Объемные (массовые) силы – силы, действующие на каждую частицу, находящуюся в рассматриваемом объеме.
Объемные (щелевые) потери – потери, обусловленные наличием зазоров в насосе, через которые жидкость получает возможность перетекать из области с большим давлением в область с меньшим давлением.
Объемный КПД насоса –отношение действительной подачи насоса к
теоретической.
Объемный насос – насос, в котором энергия передается жидкой
среде в рабочих камерах, периодически изменяющих объем и попеременно сообщающихся с его входом и выходом.
Однопоточная гидродинамическая передача – это гидродинамическая передача, вся мощность которой передается посредством жидкости.
Отверстия в толстых стенках – отверстия в стенках, толщины которых превышают утроенный линейный размер отверстия. При истечении
жидкости через них струи сначала сужаются, а затем, расширяясь в пределах самих отверстий, заполняют полностью их поперечные сечения.
Отверстия в тонких стенках – отверстия с фасками или заостренными кромками в стенках, толщины которых не влияют на условия истечений и формы струй.
Отверстия с несовершенным сжатием – отверстия, расположенные
вблизи стенок, которые оказывают влияние на сжатие струи.
Отверстия с совершенным и полным сжатием – отверстия, к которым жидкость движется со всех сторон по плавно изменяющимся траекториям. Крайние струйки придают вытекающей струе коноидальную
форму, в результате чего происходит сжатие ее со всех сторон и деформация под действием сил поверхностного натяжения.
Относительная шероховатость поверхности трубы – отношения
средней высоты неровностей поверхности к диаметру трубы.
Передаточное отношение – это соотношение частот вращения ведомого и ведущего валов.
Плотность – масса жидкости, заключенная в единице объема.
Плотностью объемных сил в данной точке среды – называют предел
отношения главного вектора объемных сил, приложенного к точке, расположенной внутри малого объема, к массе этого объема, при условии,
что объем стремится к нулю.
45
Пневматическая система (ПС) – это группа аппаратов, предназначенных для производства, накопления, контроля и потребления сжатого
воздуха, соединенных друг с другом воздухопроводами в строгой последовательности в зависимости от их функционального назначения.
Поверхностное натяжение – мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое, или избытка свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией
в объемах фаз.
Поверхностные силы – силы, которые действуют на элементы поверхности, ограничивающей выделенный объем.
Подача – количество жидкости, перекачиваемой насосом в единицу
времени.
Подобие мощностей – отношение мощностей у подобных центробежных насосов пропорционально произведению отношения линейных
размеров в пятой степени и кубу отношения частот вращения рабочих
колес
Nн
Nм
k L5
nн
nм
3
.
Подобие напоров – отношение напоров у подобных центробежных
насосов пропорционально произведению квадратов соотношений линейных размеров и частот вращения рабочих колес
Hн
Hм
k L2
nн
nм
2
.
Подобие подач – отношение подач подобных центробежных насосов пропорционально произведению соотношения линейных размеров в
третьей степени на соотношение частот вращения рабочих колес
Qн
n
k L3 н .
Qм
nм
Подъѐмная сила – сила, действующая на тело, погруженное в жидкость.
Полем насоса – называют область напорной характеристики, которая включает все точки для обточенных рабочих колес лопастного насоса, удовлетворяющие требованиям максимальной экономичности.
Полный гидродинамический напор (сумма геометрического, пьезометрического и скоростного напоров) – это полная удельная энергия
жидкости в поперечном сечении элементарной струйки (согласно уравнению Бернулли, полный гидродинамический напор – величина постоянная).
46
Полный смоченный периметр трубы – длина линии контакта живого
сечения потока со стенками канала, вдоль которых происходит движение жидкости.
Помпаж – неустойчивая работа лопастного насоса, при которой подача резко изменяется от наибольшего значения до нуля, напор колеблется в значительных пределах, наблюдаются гидравлические удары,
шум и вибрация, как самой машины, так и трубопроводов.
Потенциал объемного действия сил давления – это функция давления, градиент которой равен вектору объемного действия сил давления.
Потенциальное движение – это движение жидкости, поле скоростей
которой имеет потенциал. Потенциальное течение всегда безвихревое.
Потребный (располагаемый) напор – это удельная энергия на входе
в трубопровод, за счет которой происходит движение жидкости по нему
p1
H потр
.
g
Программный гидропривод – это объѐмный гидропривод, у которого скорость движения выходного звена изменяется по заданной программе.
Прозрачность гидротрансформатора – это способность его автоматически изменять нагрузку на валу двигателя в зависимости от нагрузки
на ведомом валу.
Прозрачный гидротрансформатор – гидротрансформатор, у которого внешняя нагрузка оказывает влияние на работу двигателя.
Простой трубопровод – трубопровод, который не имеет ответвлений.
Профиль скорости – это распределение векторов скорости по нормальному сечению потока.
Прямой гидравлический удар – гидравлический удар, который происходит при очень быстром перекрытии канала, когда время закрытия tз
L
меньше фазы гидравлического удара t0 t з t 0 2 .
a
Пьезометрическая высота p g (пьезометрический напор, создаваемый давлением р жидкости плотностью ) – это удельная потенциальная энергия давления.
Пьезометрический уклон – это падение пьезометрической линии на
единицу длины элементарной струйки.
47
Рабочая точка – точка пересечения характеристики насоса и кривой
потребного напора трубопровода.
Рабочий объем насоса – идеальная подача за один цикл (за один
оборот вала насоса).
Равномерно распределенная зернистая шероховатость – это искусственная шероховатость, которая имеет один и тот же размер и форму
бугорков.
Распыление – это дробление струи на мелкие капли жидкости, размеры которых меняются в довольно широких пределах.
Регулировочная характеристика золотникового гидрораспределителя – зависимость расхода рабочей жидкости от перемещения золотника.
Самовсасывание – способность насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости до уровня расположения насоса.
Свободные струи – струи, которые при истечении не смешиваются
с окружающей средой.
Сервоприводы (приборные следящие приводы или гидроусилители) – это следящие приводы, которые входят в состав более мощного
гидро- и пневмопривода, выполняя вспомогательные (сервисные) функции.
Сжимаемость – свойство жидкости изменять свой объем под действием давления.
Силовые гидродвигатели – устройства, предназначенные для преобразования потенциальной энергии жидкости в механическую энергию
движения выходного звена.
Сифонный трубопровод (сифон) – короткий трубопровод, движение
в котором происходит самотеком по всей его длине, включая участки,
расположенные выше уровня жидкости питающего резервуара.
Скольжение гидромуфты – это отставание частоты вращения колеса
турбины по отношению к частоте вращения колеса насоса.
Скоростная высота w 2 2 g
(скоростной напор) – это удельная ки-
нетическая энергия частицы жидкости.
Следящий привод – это объѐмный гидропривод, у которого регулируемый параметр выходного звена изменяется по определенному закону
в зависимости от внешнего заранее неизвестного управляющего воздействия.
48
Сплошность жидкости – понятие, которое предполагает непрерывность изменения параметров жидкости и их производных в пространстве и времени.
Стабилизирующий гидропривод – это объѐмный гидропривод, у которого скорость движения выходного звена поддерживается постоянной.
Статический напор – это сумма геометрической высоты, на которую
поднимается жидкость в процессе движения и пьезометрической высоты в конце трубопровода.
Струйный насос – насос, у которого приращение энергии перекачиваемой жидкости происходит за счет кинетической энергии струи жидкости того же или другого рода.
Текучесть – способность тел сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил.
Турбулентное течение – течение, при котором отдельные частицы
жидкости движутся по произвольным сложным траекториям, в результате чего струйки перемешиваются и жидкость течет в виде беспорядочной массы.
Ударная волна – это переходная область между заторможенной и
движущейся областью потока, в которой происходит изменение давления на некоторую величину.
Удельный вес – вес жидкости, заключенной в единице объема (равен произведение плотности жидкости на ускорение свободного падения).
Условия пропорциональности – это зависимости вида
Q1
Q2
n1
;
n2
H1
H2
n1
n2
2
;
N1
N2
n1
n2
3
, показывающие изменение основ-
ных параметров центробежного насоса при изменении частоты вращения рабочего колеса.
Установившееся движение – это движение, скорость которого не
изменяется с течением времени.
Установившийся поток жидкости – поток, в каждой точке которого
вектор скорости не меняется с течением времени.
Функция давления – это интеграл
dp для баротропной жидкости.
Характеристиками трубопровода – называют графики зависимости
суммарной потери напора от расхода [ h=f(Q)].
49
Характеристики насоса – это зависимости между основными рабочими параметрами, а именно: между напором и подачей, потребляемой
мощностью и подачей, КПД и подачей, допустимым вакуумом и подачей.
Центр давления – точка приложения результирующей силы давления жидкости на погруженную в неѐ пластину.
Эжектор – струйный насос, приспособленный для откачивания жидкости.
Эквивалентная абсолютная шероховатость – это реальная шероховатость поверхности трубы, которая оказывает такое же воздействие на
поток, что и равномерная зернистая шероховатость в опытах И.И. Никурадзе.
Эквивалентный диаметр – условная величина для труб, форма поперечного сечения которых отличается от круга. Определяется отношением учетверенной площади живого сечения канала к полному смоченному периметру.
50
6. ПРИЛОЖЕНИЕ
Гидравлический удар
Гидравлическим ударом называют резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении потока
жидкости. Повышение давления в трубопроводе в результате гидравлического удара определяют по формуле Н.Е.Жуковского:
pуд
V0
1
Eж
2
r
Eс
V0 c,
– плотность жидкости, кг/м3;
V0 – начальная скорость течения жидкости, м/с;
Еж – среднее для данного pуд значение адиабатного модуля упругости жидкости, Па;
r – радиус трубопровода, м;
– толщина стенки, м;
Ес – модуль упругости материала стенки, Н/м2 (для стали Ст 3 модуль
упругости равен (1,5–2) 1011 Н/м2, а для чугуна – (1,0 – 1,3) 1011 Н/м2;
с – скорость распространения ударной волны, м/с.
Когда уменьшение скорости в трубе происходит не до нуля, а до
значения V1, возникает неполный гидравлический удар, и формула Жуковского приобретает вид:
где
pуд
V0 V1 c.
Формулы Жуковского справедливы для прямого гидравлического
удара, который имеет место при очень быстром закрытии крана, когда
время закрытия соответствует следующему условию:
tзак
t0
2 l c,
где t0 – фаза гидравлического удара, l – длина участка трубопровода до
крана.
При tзак t0 возникает непрямой гидравлический удар, при котором ударная волна, отразившись от резервуара, возвращается к крану
раньше, чем он будет полностью закрыт. Повышение давления в этом случае p уд при условии, что скорость потока при закрытии крана уменьшается, а давление возрастает линейно по времени, определяют по формуле
pуд
pуд t0 tзак
V0 2 l tзак .
Задача 1. Вода в количестве Q перекачивается по чугунной трубе
диаметром d, длиной L с толщиной стенки . Свободный конец трубы
снабжен затвором. Определить время закрытия затвора при условии,
что повышение давления в трубе p, вследствие гидравлического удара,
51
не превысит 10 кг/см2. Как изменится давление при мгновенном закрытии затвора?
Величина
Q, м3/мин
d, мм
L, м
, мм
Вариант
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,35
50
1200
7
1,41
100
1400
8,5
3,18
150
1600
9,5
5,66
200
2000
10,5
8,85
250
1500
11,5
12,7
300
1100
12,5
8,85
250
1300
11,5
5,66
200
1500
10,5
3,18
150
1700
9,5
1,41
100
1200
8,5
Модуль упругости чугуна – (1,0 – 1,3) 1011 Н/м2. Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, представляет собой объемный
модуль упругости
E 1
W
, Па .
Для воды при нормальных условиях можно принимать
W
1 2 109
Па-1.
Гидростатика
Гидростатическое давление р представляет собой напряжение сжатия в точке, расположенной внутри покоящейся жидкости и передается
всем точкам этой жидкости по всем направлениям без изменения (закон
Паскаля). Оно действует по нормали к поверхности тела, помещенного
в жидкость. Гидростатическое давление зависит от положения рассматриваемой точки внутри жидкости и от внешнего давления, приложенного к ее свободной поверхности. В наиболее распространенном случае,
когда из массовых сил действует только сила тяжести, гидростатическое
давление в точке, находящейся на глубине h, определяют по основному
уравнению гидростатики:
p
p0
g h,
где р0 – внешнее давление на свободной поверхности жидкости.
Задача 2. Определить силу, развиваемую гидравлическим прессом,
работающим с помощью ручного плунжерного насоса. Усилие на рукоятке Q, вес поршня пресса G2, вес плунжера насоса G1, геометрические
размеры установки: a, b, d, D.
52
Величины
Варианты
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Q,H
245
260
240
230
200
210
220
230
240
250
G1,H
196
200
210
200
190
180
170
180
190
200
G2,H
1964
2000
2100
2000
2100
1900
1800
1700
1600
1800
a, м
0,2
0,1
0,2
0,3
0,2
0,1
0,2
0,3
0,2
0,2
b, м
1,8
1,0
2,0
2,5
2,5
1,5
2,0
2,5
2,0
2,4
d, м
0,02
0,03
0,035
0,04
0,02
0,03
0,04
0,05
0,04
0,03
D, м
0,2
0,3
0,35
0,4
0,4
0,35
0,5
0,6
0,6
0,5
Основы гидравлических расчетов систем
Потери напора на трение. При равномерном движении жидкости
в трубах потери давления на трение как при ламинарном, так и при турбулентном режимах движения рассчитывают по формуле ДарсиВейсбаха:
V2
,
2
l
d
pтр
где
– коэффициент гидравлического трения;
l – длина трубопровода;
d – его диаметр;
– плотность жидкости;
V – средняя скорость ее течения.
Коэффициент гидравлического трения зависит от режима движения жидкости, значения критерия Рейнольдса
Re
V d
и состояния стенок трубы, которая характеризуется относительной шероховатостью
э
d,
где э – эквивалентная равномерно-зернистая шероховатость (т.е. такая высота неровностей, образованных песчинками одинакового размера, которая при расчете дает одинаковое с действительной шероховатостью значение коэффициента гидравлического трения).
При ламинарном режиме течения коэффициент гидравлического
трения рассчитывают по формуле
64 Re .
53
При турбулентном режиме течения весь диапазон значений чисел
Рейнольдса, в зависимости от относительной шероховатости, разбивают
на области, каждой из которых соответствует своя формула для расчета
коэффициент гидравлического трения:
область гидравлически гладких труб 2300 Re 10
0,3164 Re 0,25 – формула Блазиуса;
переходная область 10
0,11
Re 500
68 Re
0,25
– формула А.Д. Альтшуля;
квадратичная область Re 500
0,25
– формула Б.Л. Шифринсона.
0,11
В случае течения жидкости по трубам, форма поперечного сечения
которых отличается от круга, в приведенных выше формулах используют вместо d эквивалентный диаметр
dэ
4 S П,
где S – площадь поперечного сечения трубы;
П – полный смоченный периметр трубы.
Местные потери давления. Местные сопротивления, к которым
относят арматуру, фасонные части трубопроводов и прочее оборудование, вызывают изменения величины и (или) направления скорости движения жидкости на отдельных участках трубопроводов, что приводит к
потерям давления в них. Потери давления определяют по формуле Вейсбаха
pм
v2 2 .
Значения коэффициентов местных сопротивлений зависят от
конфигурации местного сопротивления и режима течения жидкости
перед ним.
При движении жидкости с малыми числами Рейнольдса коэффициенты местных сопротивлений ориентировочно определяют по формуле
А.Д. Альтшуля:
A
кв ,
Re
где кв – значение коэффициента местного сопротивления в квадратичной области (см. приложение табл. 1);
Re – число Рейнольдса, отнесенное к нестесненному сечению трубопровода.
54
Задача 3. Найти расход в магистральном трубопроводе диаметром
D, если в параллельной ветви диаметром d=20 мм расходомер показывает Q2. Коэффициент потерь напора в расходомере считать равным
1,5; коэффициенты трения в обоих ветвях ( и
одинаковы и равны
0,025.
d
D
Q2
h
L
Q
Величина
Q2, л/мин
h, мм
L, м
D, мм
Варианты
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2
200
500
40
4
250
400
30
5
150
450
50
7
250
500
40
6
200
400
30
5
250
450
50
8
150
500
40
6
200
400
30
3
250
450
50
8
150
400
50
Центробежные насосы
Рабочий процесс насоса характеризуется его основными параметрами: подачей, напором, мощностью, КПД и допустимым вакуумом.
Напором H называют энергию, сообщаемую единице веса жидкости, проходящей через насос. Его измеряют в метрах столба перекачиваемой жидкости и определяют по формуле:
H
pвых
pвх
g
V 2вых V 2вх
2 g
z,
где pвых и pвх – давления на выходе из насоса и на его входе, Па;
Vвых и Vвх – средние скорости на выходе из насоса и на его входе, м/с;
z – расстояние по вертикали между точками присоединения манометра и вакуумметра, м;
– плотность жидкости, кг/м3.
Полезную мощность определяют как произведение объемного расхода жидкости на напор
Nп
g H Q.
Полный КПД представляет собой отношение полезной мощности к
мощности, подведенной к валу насоса..
Nп
N
55
Всасывающую способность насоса характеризуют допустимый вакуум
pа
H вак
pвх
g
V 2вх
2 g
hг
hw ,
где hг – геометрическая высота расположения всасывающего патрубка
насоса над уровнем жидкости, м;
hw – потери напора во всасывающей линии, м.
Допустимый вакуум – это разряжение во всасывающем патрубке
насоса, обеспечивающее безкавитационную его работу.
Условием безкавитационной работы насоса является кавитационный запас – разность между удельной энергией потока на входе насоса
и энергией, соответствующей давлению парообразования:
pвх
g
h
V 2вх
2 g
pп
,
g
Кавитация возникает в случае, если максимальное падение динамического напора на входе hкр будет равно критическому значению.
Руднев С.С., обобщая опытные данные, получил следующую формулу:
34
hкр
10
n
Q
c
,
где n – число оборотов вала насоса, об/мин;
Q – подача, м3/с;
с – опытный коэффициент, характеризующий конструкцию насоса.
Величина c для всех геометрически подобных машин постоянна и
находится в пределах 800 – 1500. Чем больше величина c, тем лучше
всасывающая способность насоса.
Допустимая высота всасывания
pa ps
hгдоп
hкр
hw .
g
Насос, работающий на сеть, должен обеспечить равенство создаваемого им напора потребному напору в сети, который определяется по
общей формуле:
pк pн
H потр
zк zн
hw ,
g
где (zк – zн) – геодезические отметки уровней жидкости в конечной и
начальной точках сети, м;
рк и рн – избыточные давления в приемном и напорном резервуарах, Па;
56
– плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
hw – суммарные потери напора в трубопроводах сети, м.
Точку пересечения характеристики насоса с кривой потребного напора называют рабочей точкой.
Параллельное соединение насосов используют для увеличения подачи. Суммарную характеристику нескольких насосов получают сложением подач отдельных насосов при постоянных напорах.
Последовательное соединение центробежных насосов используют
для повышения напора. Суммарную характеристику получают сложением напоров отдельных насосов при постоянных их подачах.
Задача 4. Центробежный насос производительностью Q работает при частоте вращения n. Определить допустимую высоту
всасывания, если диаметр всасывающей трубы d, а ее длина L. Коэффициент кавитации в
формуле Руднева принять равным c. Температура воды t = 20 оС. Коэффициент сопротивления колена к = 0,2. Коэффициент сопротивления входа в трубу вх = 1,8. Эквивалентная шероховатость стенок трубы э = 0,15 мм.
Величина
Варианты
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Q, л/с
15
25
35
62
30
22
14
100
53
32
d, мм
100
125
150
200
150
125
100
250
200
150
L, м
2,5
2,8
3,5
5
3,6
3
2,5
5,8
4,8
3,2
n, об/мин
2860
2850
2740
1470
2500
2890
1475
1450
1500
2000
с
1000
1100
1200
800
1000
900
1200
800
900
1000
Задача 5. Определить производительность и напор насоса (рабочую точку) при подаче воды в открытый резервуар из колодца на высоту H по трубопроводу диаметром d, длиной L с коэффициентом гидравлического трения равным 0,03 и суммарным коэффициентом местных
сопротивлений с = 1,2. Как изменяется подача и напор насоса, если
частота вращения рабочего колеса уменьшится на 10%?
Данные, необходимые для построения характеристики центробежного насоса (H – Q) приведены в таблице.
Q
0
0,2*Q0
0,4*Q0
0,6*Q0
0,8*Q0
1,0*Q0
H
1,0*H0
1,05*H0
1,0*H0
0,88*H0
0,65*H0
0,35*H0
57
Величина
Варианты
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
H, м
30
45
6
30
30
60
60
6
15
15
d, мм
200
100
250
100
50
80
100
200
70
300
L, м
6
25
40
15
60
7
36
8
12
280
Qо, м /с
0,7
0,1
0,3
0,1
0,01
0,1
0,1
0,3
0,03
0,3
Hо, м
100
150
20
100
100
200
200
20
50
50
3
Справочные материалы
Таблица 1
Значения параметра А и
кв
для некоторых местных сопротивлений
Устройство
А
Кран пробочный
Вентиль обыкновенный
Клапан шаровой
Угольник 90о
Выход из трубы в бак
Вход из бака в трубу
Тройник
150
3000
5000
400
30
30
150
кв
0,4
6
45
1,4
1
0,5
0,3
Таблица 2
Физические свойства пресной воды
t, оС
0
10
20
30
40
, кг/м3
999,87
999,73
998,23
995,68
992,25
, м2/с
1,789
1,306
1,006
0,805
0,658
58
ps, Па
613
1197
2385
4240
7360
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 1
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ........................... 4
2. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА .................................................................................... 7
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА.......12
4. СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ..................................37
5. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ .....................................................................38
6. ПРИЛОЖЕНИЕ .................................................................................................51
59
Учебно-методическое издание
Составитель:
Сергей Александрович Остренко
ГИДРАВЛИКА
Учебная программа курса
по специальности
19060365 «Сервис транспортных и технологических машин
и оборудования (Автомобильный транспорт)»
В авторской редакции
Компьютерная верстка Н.А. Игнатьевой
Лицензия на издательскую деятельность ИД № 03816 от 22.01.2001
Подписано в печать 01.04.2008. Формат 60 84/16.
Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л.
.
Уч.-изд. л.
. Тираж 100 экз. Заказ
________________________________________________________
Издательство Владивостокский государственный университет
экономики и сервиса
690600, Владивосток, ул. Гоголя, 41
Отпечатано в типографии ВГУЭС
690600, Владивосток, ул. Державина, 57
60