Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Виды движения жидкости, элементы потока

2. Гидротрансформаторы, устройство, работа, применение

3. Вальные насосы, виды потерь; снижение неравномерности подачи жидкости

Заключение

Литература

Введение

Решение различных технических проблем, связанных с вопросами движения жидкостей в открытых и закрытых руслах, а также с вопросами силового воздействия жидкости на стенки сосудов или обтекаемые жидкостью твердые тела привело к созданию обширной науки называемой гидромеханикой (или гидравлика).

Исторически гидравлика является одной из самых древних наук в мире. Археологические исследования показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае, а затем в других странах древнего мира найдены описания устройства различных гидравлических сооружений, представленные в виде рисунков (первых чертежей).

Роль гидравлики в современном машиностроении трудно переоценить. Любой автомобиль, летательный аппарат, морское судно не обходится без применения гидравлических систем. Добавим сюда строительство плотин, дамб, трубопроводов, каналов, водосливов.

жидкость поток гидротрансформатор насос

1. Виды движения жидкости, элементы потока

Причинами движения жидкости являются действующие на нее силы: объемные или массовые силы (сила тяжести, инерционные силы) и поверхностные силы (давление, трение).

Основные виды движения жидкости: равномерное и неравномерное; установившееся и неустановившееся; напорное и открытое (безнапорное); ламинарное и турбулентное.

Установившимся стационарным движением жидкости называется такое движение, при котором в каждой данной точке основные элементы движения жидкости - скорость движения v и гидродинамическое давление р не изменяются с течением времени, т.е. зависят только от координат точки.

Неустановившимся (нестационарным) движением жидкости называется такое движение, при котором в каждой данной точке основные элементы движения жидкости - скорость движения v и гидродинамическое давление р - постоянно изменяются, т.е. зависят не только от положения точки в пространстве, но и от времени t.

Примером установившегося движения может быть: движение жидкости в канале, в реке при неизменных глубинах, истечение жидкости из резервуара при постоянном уровне жидкости в нем и др. Неустановившееся движение - это движение жидкости в канале или реке при переменном уровне или при опорожнении резервуара, когда уровень жидкости в нем непрерывно изменяется.

Установившееся движение в свою очередь подразделяется на равномерное и неравномерное.

Равномерным называется такое установившееся движение, при котором сечения вдоль потока не изменяются, средние скорости по длине потока также не изменяются. Примером равномерного движения является: движение жидкости в цилиндрической трубе, в канале постоянного сечения при одинаковых глубинах.

Установившееся движение называется неравномерным, когда распределение скоростей в различных поперечных сечениях неодинаково; при этом средняя скорость и площадь поперечного сечения потока могут быть и постоянными вдоль потока. Примером неравномерного движения может быть движение жидкости в конической трубе или в речном русле переменной ширины.

Напорным называется движение жидкости, при котором поток полностью заключен в твердые стенки и не имеет свободной поверхности. Напорное движение происходит вследствие разности давлений и под действием силы тяжести. Примером напорного движения является движение жидкости в замкнутых трубопроводах (например, в водопроводных трубах).

Безнапорным называется движение жидкости, при котором поток имеет свободную поверхность. Примером безнапорного движения может быть: движение жидкости в реках, каналах, канализационных и дренажных трубах. Безнапорное движение происходит под действием силы тяжести и за счет начальной скорости. Обычно на поверхности безнапорного потока давление атмосферное.

При ламинарном режиме жидкость движется отдельными струями без их перемешивания, отсутствуют видимые вихреобразования, но существуют бесконечно малые (точечные) вихри вокруг мгновенных центров вращения частиц жидкости.

При турбулентном режиме течения происходит интенсивное перемешивание струек (слоев) жидкости с образованием большого количества крупных и мелких вихрей. Отдельные частицы жидкости движутся хаотично, и практически ни одна из них не повторяет траекторию другой. Они перемещаются как в продольном, так и в поперечном направлениях. Поэтому скорости и давления при турбулентном течении имеют пульсирующий характер.

Следует отметить еще один вид движения: свободную струю.

Свободной струей называется поток, не ограниченный твердыми стенками. Примером может служить движение жидкости из пожарного брандспойта, гидромонитора, водопроводного крана, из отверстия резервуара и т.п. В этом случае движение жидкости происходит по инерции (т.е. за счет начальной скорости) и под действием силы тяжести.

Плавно изменяющимся называется такое движение жидкости, при котором кривизна струек незначительна (равна нулю или близка к нулю) и угол расхождения между струйками весьма мал (равен нулю или близок к нулю), т.е. практически поток жидкости мало отличается от параллельноструйного.

Отметим следующие свойства потока при плавно изменяющемся движении:

. поперечные сечения потока плоские, нормальные к оси потока;

. распределение гидродинамических давлений по сечению потока подчиняется закону гидростатики, т.е. гидродинамические давления по высоте сечения распределяются по закону прямой.

. удельная потенциальная энергия (т.е. потенциальная энергия единицы веса жидкости) по отношению к некоторой плоскости сравнения для всех точек данного сечения потока жидкости есть величина постоянная.

2. Гидротрансформаторы, устройство, работа, применение

Гидропередача - это устройство для передачи механической энергии посредством потока жидкости. В состав гидропередачи входят насос, гидравлический двигатель и соединительные трубопроводы с рабочей жидкостью. Гидропередачи, использующие динамические гидромашины, называются гидродинамическими.

Гидродинамические передачи, применяемые в машиностроении, подразделяют на гидравлические муфты (гидромуфты) и гидравлические трансформаторы (гидротрансформаторы).

Гидравлические муфты, состоящие из насосного и турбинного колес, служат для передачи энергии без изменения вращающего момента, т.е. вращающие моменты на входном и выходном валах гидромуфты практически одинаковы.

Гидравлические трансформаторы, кроме насосного и турбинного колес, имеют хотя бы одно дополнительное колесо. Оно на большинстве режимов работы неподвижно, т.е. является неактивным (реактивным), поэтому его принято называть реактором.

Включение в состав гидротрансформатора реактора позволяет ему изменять (трансформировать) передаваемый вращающий момент.

Таким образом, вращающие моменты на входном и выходном валах гидротрансформатора на большинстве режимов работы различны.

Устройство и рабочий процесс гидротрансформатора

Основными элементами гидравлического трансформатора являются три соосно установленных лопастных колеса - насосное, турбинное и реактивное (реактор), а также корпус, подшипники и другие вспомогательные детали.

На осевом разрезе гидротрансформатора (рис.1, а) показаны насосное колесо Н, турбинное колесо Т, реактивное колесо (реактор) Р и корпус гидротрансформатора К, а также муфта свободного хода М. Основным конструктивным отличием колес гидротрансформатора от колес гидромуфты является сложный криволинейный профиль их лопаток (рис.1, б).

Рисунок 1 - Конструктивная схема гидротрансформатора: Н - насосное колесо; Т - турбинное колесо; Р - реактивное колесо (реактор); К - корпус; М - муфта свободного хода, а - осевой разрез; б - развертка лопастной системы;

Насосное колесо Н приводится во вращение вращающим моментом М₁, двигателя. Жидкость, находящаяся в межлопаточном пространстве насоса, раскручивается с угловой скоростью щ₁, и отбрасывается от оси вращения к периферии колеса - от точки 1 к точке 2 (рис.1, б). При этом каждая частица жидкости приобретает кинетическую энергию и скорость в направлении вращения колеса. В окрестностях точки 2 поток жидкости перемещается с насосного колеса на турбинное колесо Т (рис.1, а).

В межлопаточном пространстве турбинного колеса жидкость воздействует на лопатки турбинного колеса и приводит его во вращение с угловой скоростью щ₂,. При этом частицы жидкости постепенно теряют кинетическую энергию, полученную в насосном колесе, и движутся от периферии к оси вращения (от точки 2 к точке 3). В окрестностях точки 3 поток жидкости перемешается с турбинного колеса Т на реактор Р (рис.1, а)

Затем поток жидкости проходит через межлопаточное пространство неподвижного реактора от точки 3 к точке 1 и в окрестностях точки 1 перемешается на насосное колесо. Далее рабочим процесс повторяется, т.е. жидкость циркулирует в межлопаточном пространстве колес по замкнутому контуру с расходом Q.

Реактор Р служит для изменения вращающего момента на гидротрансформаторе, т.е. для получения на выходном валу вращающего момента М₂ отличного, от входного М₁. Для более подробного рассмотрения рабочего процесса в гидротрансформаторе на (рис.1. б) приведена условная развертка его колес. На этой развертке показана траектория движения частицы жидкости через его рабочие колеса. Эта частица перемещается вдоль криволинейной лопатки насосного колеса от точки 1 к точке 2. В точке 2 она "срывается" с насосного колеса и "ударяет" в точке 2' по лопатке турбинного колеса. Затем частица жидкости перемещается вдоль криволинейной лопатки турбинного колеса от точки 2' к точке 3, потом уходит с турбинного колеса в реактор и перемещается вдоль лопатки реактора от точки 3' до точки 1'. В точке 1' частица уходит с реактора и попадает в точке 1 на лопатку насосного колеса. Далее рабочий процесс повторяется.

Изменение вращающего момента с М₁ на насосном колесе до М₂ на турбинном колесе происходит за счет дополнительной закрутки потока лопатками реактора, т.е. за счет изменения вектора скорости от v₃ до v₁ (рис.1,6).

Необходимо отметить, что у каждого гидротрансформатора существует частный режим работы, когда векторы v₁ и v₃ одинаковы. На этом частном режиме обеспечивается равенство моментов М₁ = М₂. При отклонении от него указанное равенство нарушается, причем оно может нарушаться как в одну сторону (М₁ > М₂), так и в другую (М₁ < М₂).

Применение гидротрансформаторов ограничивается недостаточно высокими КПД. Их максимальные значения составляют 0,80.0,93.

Основное применение он нашли в автомобильных трансмиссиях (широко применяются в автомобилях, автобусах, строительных, дорожных и подъемно-транспортных машинах).

3. Вальные насосы, виды потерь; снижение неравномерности подачи жидкости

В поршневых возвратно-поступательных насосах <http://www.xn--e1afkcp.com/catalog/index.shtml> силовое взаимодействие рабочего органа с жидкостью происходит в неподвижных рабочих камерах, которые попеременно сообщаются с полостями всасывания и нагнетания за счет впускного и выпускного клапанов.

В качестве рабочего органа (вытеснителя) в возвратно-поступательных насосах используются поршень, плунжер или гибкая диафрагма. Поэтому такие насосы подразделяются на поршневые, плунжерные и диафрагменные.

Возвратно-поступательные насосы также подразделяются по способу привода на прямодействующие и вальные. Привод прямодействующего насоса <http://www.xn--e1afkcp.com/catalog/hydropump.shtml> осуществляется за счет возвратно-поступательного воздействия непосредственно на вытеснитель. Вальный насос приводится за счет вращения ведущего вала, которое преобразуется в возвратно-поступательное движение при помощи кулачкового или кривошипно-шатунного механизма.

Рассмотрим устройство и принцип работы поршневого насоса с вальным приводом на рис.2, а, приведена конструктивная схема поршневого насоса <http://www.xn--e1afkcp.com/repair/index.shtml> с кривошипно-шатунным механизмом.

Приводной вал 7 через кривошип 6 радиусом (r) и шатун 5 приводит в движение поршень 3 площадью (S_п) который движется возвратно-поступательно в корпусе (цилиндре) 4. Насос имеет два подпружиненных клапана: впускной 1 и выпускной 2. Рабочей камерой данного насоса является пространство слева от поршня, ограниченное корпусом 4 и крайними положениями поршня 3 оно на рисунке затемнено. При движении поршня 3 вправо жидкость через впускной клапан 1 заполняет рабочую камеру, т.е. обеспечивается всасывание. При движении поршня 3 влево жидкость нагнетается в напорный трубопровод через клапан 2.

Рассматриваемый насос имеет одну рабочую камеру (z = 1), и за один оборот вала поршень 3 совершает один рабочий ход, т.е. это насос однократного действия (к = 1). Из анализа (рис.2, а) следует, что рабочий ход (L) поршня 3 равен двум радиусам кривошипа 6. Тогда в соответствии с (рис.2) рабочий объем насоса равен объему рабочей камеры и может быть вычислен по формуле:

V_o = V_k = S_п * 2r

Насосы с поршнем в качестве вытеснителя являются самыми распространенными из возвратно-поступательных насосов. Они могут создавать значительные давления (до 30.40 МПа). Однако выпускаются также насосы, рассчитанные на значительно меньшие давления (до 1.5 МПа). Скоростные параметры этих насосов (число рабочих циклов в единицу времени) во многом определяются конструкцией клапанов, так как они являются наиболее инерционными элементами. Насосы с подпружиненными клапанами допускают до 100.300 рабочих циклов в минуту. Насосы с клапанами специальной конструкции позволяют получить до 300.500 циклов в минуту.

В поршневых насосах существуют все три вида потерь: объемные, гидравлические и механические потери. Объемные КПД (з₀) большинства поршневых насосов составляют 0,85.0,98. Гидравлические КПД (з_г), определяемые потерями напора в клапанах, находятся в пределах 0,8.0,9, а механические КПД (з_м) - 0,94.0,96. Полный КПД (з_н) для большинства поршневых насосов составляет 0,75.0,92.

Определяется по формуле:

з_н = з _м *з_г *з₀

Значительно реже применяются насосы с плунжером в качестве вытеснителя. У этих насосов существенно больше поверхность контакта между корпусом и вытеснителем, что позволяет значительно лучше уплотнить рабочую камеру. Плунжерные насосы обычно изготовляются с высокой точностью, поэтому они являются весьма дорогими, но позволяют получать очень большие давления - до 150.200 МПа.

Основной областью использования плунжерных насосов являются системы топливоподачи дизелей.

На (рис.2, б) приведена конструктивная схема такого насоса с кулачковым приводом. Ведущий вал приводит во вращение кулачок 11, который воздействует на плунжер 9, совершающий возвратно-поступательные движения в корпусе (цилиндре) 4, причем движение плунжера влево обеспечивается кулачком 11, а обратный ход - пружиной 10. Данный насос имеет только один клапан - выпускной 2. Отсутствие впускного клапана является особенностью насосов, используемых на дизелях. Их топливные системы обычно имеют вспомогательные насосы, и заполнение рабочей камеры плунжерного насоса обеспечивается через проточку 8 вспомогательным насосом.

Очень существенным недостатком возвратно-поступательных насосов с вытеснителем любой конструкции является крайняя неравномерность их подачи Q во времени t. Это вызвано чередованием тактов всасывания и нагнетания. График подачи Q, представленный на (рис.3, а), наглядно демонстрирует эту неравномерность. Для ее снижения используют два способа.

Первым из этих способов является применение многокамерных насосов. В этом случае нагнетание осуществляется несколькими вытеснителями по очереди или одновременно. На (рис.3, б) представлен график подачи трехпоршневого насоса, на котором тонкими линиями показаны подачи отдельных рабочих камер, а толстой - суммарная подача насоса. Конструкции многокамерных насосов весьма разнообразны, но в большинстве случаев это насосы с несколькими рабочими камерами в одном корпусе. При увеличении числа рабочих камер с целью уменьшения неравномерности подачи предпочтение следует отдавать насосам с нечетным числом камер.

Вторым способом снижения неравномерности подачи жидкости является установка в гидролинию на выходе насосов гидравлических аккумуляторов. На (рис.3, в) приведена схема насоса с гидравлическим аккумулятором, который представляет собой замкнутую емкость, разделенную гибкой диафрагмой на две полости. При ходе нагнетания часть подаваемой насосом жидкости заполняет нижнюю полость гидроаккумулятора, а газ (воздух) в верхней полости сжимается. При ходе всасывания давление в трубопроводе снижается и жидкость из гидроаккумулятора вытесняется сжатым газом. График подачи Q во времени t такого устройства приведен на рис.3, а.

Следует отметить, что вместо термина гидроаккумулятор в литературе используется также термин воздушный колпак.

Заключение

Гидравлика дает методы расчета и проектирования разнообразных гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водосливов, трубопроводов для подачи всевозможных жидкостей), гидромашин (насосов, гидротурбин, гидропередач), а также других гидравлических устройств, применяемых во многих областях техники.

Особенно велико значение гидравлики в машиностроении, где широко используют различные гидроагрегаты в качестве систем жидкостного охлаждения, топливоподачи, смазочных и др.

Литература

1. Башта, Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы /Т.М. Башта [и др.]. - М.: Машиностроение, 1982.

. Лепешкин, А.В. Гидравлические и пневматические системы/А.В. Лепешкин, А.А. Михайлин; под ред. проф. Ю.А. Беленкова. - 4-е изд. стер. - М.: Изд. центр "Академия", 2007.

. Башта, Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика /Т.М. Башта. - М.: Машиностроение, 1972.

Размещено на Allbest.ru