Гидравлика и гидравлические машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учебное пособие

Гидравлика

Гидравлика и гидравлические машины

1. История и перспективы развития гидравлики

Гидравлика - прикладная техническая наука, изучающая законы равновесия и движения жидкости, а так же способы применения этих законов для решения практических инженерных задач.

Слово «гидравлика» образовано в результате сочетания двух греческих слов «хлюдер» ? вода и «аулос» ? труба, желоб. По смыслу это означает, что гидравлика - это наука, которая изучает движение воды в трубах.

Первым научным трудом в области гидравлики считается трактат Архимеда «О плавающих телах», датированный II веком до н.э. Однако, становление гидравлики как науки и её развитие состоялось через 18 веков после Архимеда.

Её основателями принято считать выдающихся учёных Б. Паскаля, И. Ньютона, Д. Бернулли, Л. Эйлера и великого русского учёного М.В. Ломоносова, которые разработали основные положения и открыли неизвестные ранее законы гидравлики.

Блез Паскаль (1623-1662) впервые обосновал закон о передачи давления в жидкости. Этот закон широко используется при описании работы различных гидравлических устройств (пример: гидропресс).

Исаак Ньютон (1643-1727), известный по фундаментальным законам физики, открыл основные законы внутреннего трения в жидкости, описывающие особенности движения вязких жидкостей.

Даниил Бернулли (1700-1782) в период работы в Российской академии наук вывел одно из фундаментальных уравнений гидродинамики, отражающих взаимное превращение потенциальной и кинетической энергий потока жидкости. При описании потока жидкости он впервые ввёл термин «гидродинамика».

Леонард Эйлер (1707-1783),более 30 лет работавший в Российской академии наук, внёс большой вклад в развитие классической гидродинамики. В частности, им разработаны уравнения равновесия и движения жидкостей, уравнение неразрывности потока, методы изучения параметров движения жидкостей и др.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) - великий русский учёный в своей диссертации «Рассуждение о твёрдости и жидкости тела» впервые сформулировал открытый им закон сохранения вещества и энергии, являющийся научной основой не только гидравлики, но и всей современной физики. Под его руководством и непосредственном участии построен ряд гидротехнических сооружений и проведены экспериментальные исследования режимов их работы.

Вслед за теоретическими работами в области гидравлики в России в конце XVIII века бурно развивалась практическая гидравлика. В 1780 году известный русский гидротехник Козьма Фролов построил на Урале земляную плотину высотой 18 метров с водяным колесом диаметром 17 метров, что по тем временам было мировым достижением в области гидравлики.

В 1791г. Алексеем Калмыковым была написана «Справочная книжка для вычисления количества воды, протекающей через трубы». На рубеже 18-19 в.в. в нашей стране было широко известно Николая Егоровича Жуковского (1847-1921), «отца русской авиации», который наряду с исследованиями по газовой динамики, разработал теорию гидроудара и вывел дифференциальное уравнение движения грунтовых вод. За свою творческую жизнь он написал более 170 научных работ по механике, гидравлике и аэродинамике.

После Октябрьской революции 1917 года гидравлика и гидроэнергетика в нашей стране стали бурно развиваться. В 1921 году правительством был принят Государственный план электрификации России (ГОЭЛРО), который предусматривал строительство десяти, крупных по тем временам гидравлических и тепловых гидроэлектростанций общей мощностью 1,5 млн.квт. и годовым производством электроэнергии 8,5 млрд.квт.час.

Наряду со строительством ГЭС и производством мощных гидравлических турбин в это время большое развитие получили различные гидравлические машины, такие как лопастные и роторные гидравлические насосы и гидроприводы. В настоящее время гидравлика находит всё более широкое применение в транспорте и машиностроении, где имеют место закрытые русла и напорное движение жидкости с давлением, отличным от атмосферного.

В современных мощных и скоростных машинах различных видов вместо механических приводов и передач обычно используются гидравлические устройства (гидроприводы), которые в сравнении с механическими имеют ряд преимуществ:

- возможность плавного (бесступенчатого) изменения соотношения скоростей ведомого и ведущего звеньев;

- компактность конструкции;

- сравнительно малая масса гидромашин при одинаковой мощности.

Инновационные разработки экспериментально-технологической лаборатории ФТП ТГПУ по гидравлическим машинам:

- наплавная гидроэлектростанция;

- гидроударная электростанция;

- автоматизированная установка утилизации термопласта.

центробежный насос жидкость шестеренный

2. Физические характеристики и свойства жидкостей

Современная гидравлика состоит из двух разделов: гидростатики и гидродинамики. Рабочим телом в гидравлике является жидкость, которая представляет собой непрерывную среду, обладающую свойством текучести и почти полным отсутствием сопротивления разрыву. По степени сжимаемости жидкости подразделяются на капельные и газообразные. Капельные жидкости практически несжимаемые, к ним относятся: вода, нефть, масла, спирт и т.п.

Газообразные жидкости (газы) обладают свойством сжимаемости, которое проявляется при действии на них внешних сил. Характерным отличием этих жидкостей является наличие у капельных жидкостей свободной поверхности, а газы распространяются по всему предоставленному им объёму.

Важнейшими физическими характеристиками жидкости являются её плотность и удельный вес. Плотность обозначается и представляет собой отношение массы жидкости к её объёму:

=

где М - масса, кг;

V - объём, м3..

Для сравнения приведены значения плотностей часто встречающихся жидкостей и твёрдых тел в системе единиц СИ при нормальных условиях.

1. Вода………………………………………………………1000 кг/м3

2. Минеральное смазочное масло…………………………..900 кг/м3

3. Ртуть………………………………………………………13 600 кг/м3

4. Сталь……………………………………………………… 8 000 кг/м3

5. Чугун……………………………………………………… 7 000 кг/м3

В практических расчётах иногда вместо плотности используется удельный вес , который равен отношению веса жидкости к её объёму:

Отметим, что удельный вес - величина векторная и не является параметром состояния вещества в отличие от плотности, так как он зависит от ускорения свободного падения q в пункте определения, т.е. Между удельным весом и плотностью существует простая зависимость:

q.

Рис.3

Важным физическим свойством жидкости, определяющим её способность к истечению, является вязкость. Вязкость жидкости - это её свойство оказывать сопротивление относительному движению её частиц [1]. В зависимости от вязкости жидкости в гидравлике принято условно делить на реальные и идеальные. Для описания закономерностей движения идеальной жидкости, в которой отсутствуют силы сцепления и трения между её структурными частицами, используются более простые математические зависимости.

Количественно вязкость жидкости, как её способность к истечению характеризуется коэффициентами динамической вязкости и кинематической вязкости .

Коэффициент динамической вязкости - это сила внутреннего трения, которая приходится на единицу поверхности соприкосновения двух движущихся слоёв жидкости при градиенте скорости равном единице, т.е.:

Па•с, (2.1)

где: Т - сила внутреннего трения, Н;

? - площадь поверхности соприкасающихся слоёв, м2;

- градиент скорости на единицу длины, 1/с. (рис. *...)

Значение коэффициента часто выражают в пуазах (П) с учётом, что

0,1 = 1П.

При выводе уравнений гидродинамики иногда вместо коэффициента динамической вязкости используют коэффициент кинематической вязкости, который представляет собой вязкость, приведённую к плотности жидкости, определяется из выражения (1.2):

м2/с (2.2)

В гидравлических расчётах более удобно использовать коэффициент кинематической вязкости и выражать его не в м2/с, а в более мелких единицах - стоксах (СT) с учётом того, что 1СT = 10-4 м2/с.

Отметим, что при повышении температуры вязкость несжимаемых жидкостей уменьшается.

Например, для воды при 15°С: = а при 20°С

= , т.е. уменьшается на 14%.

Одной из основных характеристик жидкости, отличающей её от твёрдых тел, является гидростатическое давление. Известно, что в статике при взаимодействии поверхностных и массовых сил в жидкости возникают внутренние силы, вызывающие напряжение внутри жидкости, аналогичное напряжению в твёрдых телах при действии на них внешних сил.

С физической точки зрения гидростатическое давление, как и давление твёрдого тела, представляет собой отношение силы к площади сечения, на которой эти силы действуют, т.е.

** Сила гидростатического давления, см. рис.1 ^.

рcp =, Па, (2.3)

где рcp - среднее гидростатическое давление,

Па = ,

Наряду со средним гидростатическим давлением, в гидравлике существует понятие давление в точке А. * (см. рис. 2 ^)

р = (2.4)

где - элементарная сила, Н ;

- элементарная площадь, м2.

Однако, свойства гидростатического давления несколько отличаются от давления твёрдого тела. К числу таких свойств относятся:

-гидростатическое давление всегда действует по внутренней нормали, направленной к площадке действия;

- гидростатическое давление не зависит от ориентации, или угла наклона площадки действия и в различных направлениях одинаково по величине;

- гидростатическое давление зависит от координаты точки в пространстве, т.е. в статике оно зависит от глубины погружения.

Связь между различными видами давлений устанавливается на основе приведённого дифференциального уравнения Эйлера, представляющего собой полный дифференциал давления [2]:

dp = ? (ax dx + ay dy + az dz) (2.5)

где ? - плотность жидкости, кг/м3;

ax,,ay,az - проекции ускорений на оси координат;

dx, dy,dz - приращения по осям координат, м.

В статике, когда в жидкости вертикально вниз действует только сила тяжести.

При dx = 0 и dy =0 имеем dp=? az dz ** (см. рис.3 ^). Тогда после интегрирования последнего уравнения и замены az z = qh получим основное уравнение гидростатики (1.6):

(2.6)

где p - абсолютное давление;

- избыточное давление; (** размерность…)

рo - атмосферное давление.

(Интегрирование ур-я 2.5.***…….)

Заметим, что после интегрирования уравнения (1.5) произведена замена: = q - ускорение свободного падения, z = h - глубина погружения. Из основного уравнения гидростатики (1.6) следует, что абсолютное давление жидкости в точке определяется глубиной погружения h и внешним давлением Po.

** Первое свойство гидростатического давления

Приборы для измерения гидростатического давления

3. Основы теории плавания

Для проведения кружковой работы по судомоделированию учителю технологии необходимо знать основы теории плавания, уметь определять остойчивость судна в надводном положении и принимать меры по обеспечению необходимой остойчивости и безопасности плавания на воде. Основой теории плавания является закон Архимеда, установленный им 250 лет до н.э.

Из курса физики известно, что закон Архимеда формулируется следующим образом: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила равная по величине и обратная по направлению силе тяжести жидкости, вытесненной этим телом.

В надводном положении на плавающее тело по оси OZ действуют две силы (рис.1.1).Это сила тяжести тела G и выталкивающая архимедова сила Pz.

Способность тела плавать, т.е. держаться на поверхности при заданной нагрузке, называется плавучестью и определяется по неравенству (3.1):

(3.1)

где - суммарная сила тяжести судна и дополнительной загрузки. Отметим, что при подводном плавании, т.е. в погруженном состоянии . К основным понятиям теории плавания относятся следующие:

- плоскость плавания (I-I) - пересекающая тело плоскость свободной поверхности жидкости;

- ватерлиния - линия пересечения поверхности тела и плоскости плавания;

- осадка (y) - глубина погружения низшей точки тела. Наибольшая допустимая осадка судна отмечается на нём красной ватерлинией;

- водоизмещение - вес воды, вытесненный судном. Водоизмещение судна при полной нагрузке является его основной технической характеристикой;

- центр водоизмещения (точ. D, рис. 1.1) - центр тяжести водоизмещения, через который проходит линия действия выталкивающей архимедовой силы;

- ось плавания (О О ' ) - линия проходящая через центр тяжести С и центр водоизмещения D при равновесии тела.

Для сохранения равновесия ось плавления должна быть вертикальна. Если на плавающее судно в поперечном направлении действует внешняя сила, например сила давления ветра, то судно накренится, ось плавания повернётся относительно точки С и возникнет крутящий момент Мк, вращающий судно относительно продольной оси против часовой стрелки (рис.1.2) v.



После прекращения действия внешней силы судно может вернуться в исходное положение, или опрокинуться в зависимости от его остойчивости.

Остойчивость - способность плавающего тела, выведенного из равновесия, возвращаться в исходное положение после прекращения действия сил вызвавших крен.

Остойчивость плавающего тела зависит от взаимного положения точек С и D. Если центр тяжести С находится ниже центра водоизмещения D, то при надводном плавании тело всегда остойчиво, так как возникающий при крене крутящий момент Мк всегда направлен в сторону противоположную крену.

Если точка С находится выше точки D (рис.1.3), то плавающее тело может быть остойчивым и неостойчивым. Рассмотрим эти случаи подробнее.



При крене центр водоизмещения D смещается по горизонтали в сторону крена, так как один борт судна вытесняет больший объём воды, чем другой.

Тогда линия действия выталкивающей архимедовой силы Pz пройдёт через новый центр водоизмещения D' и пересечётся с осью плавания ОО' в точке M, называемой метацентром. Для формулирования условия остойчивости обозначаем отрезок

M D1 = , а СD1 =?

где - метацентрический радиус;

?- эксцентриситет.

Условие остойчивости: тело остойчиво, если его метацентрический радиус больше эксцентриситета, т.е. ?.

Графическая интерпретация условия остойчивости представлена на рис. 1.3, из которого видно, что в случае а) ? и возникший крутящий момент направлен в сторону противоположную крену, а в случае б) имеем: ? и момент Мк вращает тело в сторону крена, т.е. тело не остойчиво.

При решении задач на остойчивость необходимо использовать справочные данные о значениях моментов инерции твёрдых тел относительно горизонтальной оси. При малых углах крена метацентрический радиус определяется по формуле (3.2.):

(3.2)

где Ic - центральный момент инерции площади ватерлинии относительно оси поворота;

W - объём погруженной части тела.

Центральный момент инерции Ic - определяется по одной из формул в зависимости от формы поперечного сечения плавающего тела.

4. Основы гидродинамики

Гидродинамика изучает законы движения жидкостей и взаимодействия их с соприкасающимися телами [4]. В теоретической гидродинамике принята струйная модель потока жидкости, где элементарная струйка представляет собой часть потока бесконечно малого сечения. Причём, скорость частиц жидкости в пределах сечения струйки одинакова. Для описания геометрии потока используются следующие кинематические элементы:

-живое сечение;

- смоченный периметр;

- гидравлический радиус.

Живое сечение ? - это поперечное сечение потока, нормальное ко всем линиям тока его пересекающим (рис. 4.1).

Смоченный периметр - линия, по которой жидкость соприкасается с поверхностями русла (рис. 4.2).

Рис. 4.1



Рис. 4.2

Отметим, что при напорном движении жидкости в трубе жидкость занимает весь внутренний объём и смоченный периметр равен геометрическому параметру трубы.

Гидравлический радиус R - это отношение площади живого сечения к смоченному периметру, т.е.

, м (4.1)

При напорном движении в круглой трубе

где - геометрический радиус трубы, d - внутренний диаметр.

** Гидравлический радиус круглой трубы…..

Основными гидравлическими характеристиками потока являются

расход жидкости, средняя скорость и давление.

Расход - это количество жидкости, протекающее через живое сечение потока в единицу времени.

Количество жидкости может измеряться в различных физических величинах и в соответствии с ними расход может быть объёмный, массовый и весовой.

Рассмотрим математические выражения различных видов расходов для элементарных струек:

- объёмный расход dQ, м3/с:

dQ = , (4.2)

где u - скорость жидкости в струйке.

- массовый расход dM, кг/с:

dM = , (4.3)

где - плотность жидкости.

- весовой расход dG, н/с:

dG = (4.4)

В практических расчётах потоков жидкостей, часто используется объёмный расход Q, выражение для которого получим после интегрирования (4.2):

, м3/с (4.5)

где - средняя скорость потока.

Одним из основных уравнений гидродинамики является уравнение неразрывности потока, которое связывает между собой скорости потока и площади живых сечений при условии постоянства расхода в различных сечениях [5]. Для несжимаемой жидкости это уравнение имеет следующий вид:

, (4.6)

Уравнение (3.6) принято представлять в виде пропорции:

?ср1 / vcр2 = ?2 /?1 (4.7)

Из выражения (3.7) можно сделать вывод: скорости потока обратно пропорциональны площадям живых сечений.

** Вывод уравнения неразрывности потока ….

Это уравнение часто используется при расчётах трубопроводов, состоящих из труб различных диаметров.

В случае движения сжимаемой жидкости (газа) при переходе от одного сечения к другому её удельный вес изменяется, тогда уравнение (3.6) преобразуется в (3.8):

(4.8)

5. Уравнение Бернулли

Движение жидкости в потоке сопровождается взаимным превращением различных видов механической энергии. Например, при сужении потока его скорость, а следовательно и кинетическая энергия увеличивается, а давление и потенциальная энергия уменьшаются. Уравнение, описывающее эти превращения, называется уравнением Бернулли и для потока идеальной жидкости имеет следующий вид:

, м, (5.1)

где z - высота положения;

- пьезометрическая высота;

- скоростной напор.

Так как все слагаемые уравнения (3.9) имеют линейную размерность, то их можно изобразить графически (рис.5.1), что даёт наглядное представление об изменении различных видов удельных энергий при переходе от одного сечения к другому.



Рис. 5.1: 00 - плоскость сравнения; I-I - пьезометрическая линия; II-II - напорная плоскость; Н - полный гидродинамический напор

Анализ графиков рис. 5.1 показывает, что напорная плоскость II - II проходит параллельно плоскости сравнения, а полный гидродинамический напор Н = const. Из проведённого анализа следует, что при движении идеальной жидкости её полная механическая энергия не изменяется.

Однако, широко используемые в технике жидкости, такие как масло, вода и др., по своим свойствам близки к реальным жидкостям, в которых при движении между частицами возникают силы внутреннего трения. При движении такой жидкости её удельная энергия уменьшается, так как она частично расходуется на преодоление силы трения. С учётом потерь напора на трение уравнение Бернулли (5.1) для потока реальной жидкости будет иметь следующий вид:

, (5.2)

где hTP - потери напора на трение, м.

Потери напора на трение численно равны гидравлическим сопротивлениям, которые в зависимости от природы их проявления подразделяются на два вида:

- сопротивления по длине;

- местные сопротивления.

Сопротивления по длине проявляются по всей длине участков труда, а местные сопротивления обусловлены различными конструктивными элементами, создающими препятствия движению жидкости (кран, вентиль, поворот потока и т.п.)

На рис. 5.2 показан участок трубопровода, на котором обозначены коэффициенты сопротивлений местных и по длине. В соответствии с видами гидравлических сопротивлений потери напора hTP также подразделяются на потери напора по длине hL и местные потери hM.

Рис. 5.2: , , - коэффициенты сопротивления по длине;

, - коэффициенты местных сопротивлений

В гидравлических расчётах используется принцип наложения потерь:

hTP = (5.3)

На практике определение hTP осуществляется по уравнению Бернулли, или по формуле Байсбаха. При равномерном движении жидкости (v1 = v2) и горизонтальном трубопроводе (z1 = z2) из уравнения Бернулли получим:

hTP = (5.4)

Отметим, что при небольших напорах давления P1 и P2 в уравнении (5.1) можно измерить пьезометром.

В проектных расчётах hTP обычно определяют по формуле Байсбаха:

hTP = (5.5)

Формулы Байсбаха для определения потерь напора местных и по длине отличаются одна от другой только индексами при h и :

, (5.6)

(5.7)

Местный коэффициент сопротивления является технической характеристикой данного сопротивления и определяется по справочным таблицам. Коэффициент сопротивления по длине ?L в формуле (2.15) зависит от коэффициента сопротивления трения ? (коэффициента Дарси).

Эта зависимость устанавливается формулой (5.8):

, (5.8)

где l - длина участка трубопровода, м;

R - гидравлический радиус трубы, м.

Для трубопровода круглого сечения с учётом формула (5.8) будет иметь следующий вид:

, (5.9)

где d - диаметр трубы участка трубопровода.

Подставив (5.9) в выражение (5.7) получим общую формулу для определения потерь напора на преодоление сопротивления по длине в круглой трубе:

(5.10)

Расчёт значений коэффициента сопротивления трения осуществляется по эмпирическим формулам в зависимости от вида движения жидкости, определяемого числа Рейнольдса Re:

Re =, (5.11)

где - коэффициент кинематической вязкости.

Из курса физики известно, что переход ламинарного движения в турбулентное в круглой трубе осуществляется при Reкр = 2320.

Если Re 2320, то режим движения ламинарный и коэффициент сопротивления трения определяется по формуле (5.12):

(5.12)

При Re 2320 используется формула (5.13):

, (5.13)

где - шероховатость стенки трубы, м.

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости (5.2) используется при расчётах гидравлических систем перекачки. Так, если в системе имеется насос, то требуемый напор насоса Нн можно определить из уравнения (5.2), записав его в разностном виде:

Нн = (5.14)

где - потери напора в трубопроводе на участке 1-2. Разностью скоростных напоров в уравнении (5.14) на практике часто пренебрегают, так как скорости движения жидкости в трубопроводе малы и отличаются они на концах участка 1-2 незначительно (т.е. v1 = v2). В этом случае (5.14) примет более простой вид:

Нн = (5.15)

Отметим, что основными характеристиками гидравлического насоса, по которым осуществляют его выбор, являются напор Нн, м и подача Q, м3/с.

5.1 Использование уравнения Бернулли в технике

5.1.1 Трубка Пито-Прандтля

Для измерения скорости потока при напорном движении жидкости на практике часто используются трубки Пито-Прандтля. Это средство измерения представляет собой систему из двух трубок, одна из которых прямая и направлена перпендикулярно потоку, а другая изогнута под углом 900 и направлена навстречу потоку (рис. 5.4).

Изогнутая трубка 2 измеряет полный гидродинамический напор h1, который исходя из уравнения Бернулли можно выразить уравнением (5.16):

h1 = z + p/?g + v2/2g (5.16)

Прямая трубка 1, будет измерять пьезометрический напор h2 = z + p/?g. Тогда перепад уровней жидкости в трубках h, представляющий собой разность h1 и h2 будет равен скоростному напору:

h = z + p/?g + v2/2g - (z + p/?g) = v2/2g (5.17)

Из выражения (5.17) местная скорость потока v может быть определена через перепад уровня h по уравнению (5.18):

v = (5.18)

Для обеспечения более высокой правильности практических расчётов формула (5.18) используется с поправочным коэффициентом к, который является характеристикой трубки и определяется опытным путём, т.е.:

v = k (5.19)



Рис. 5.4

На практике трубки Пито-Прандтля часто используются для определения объёмного расхода жидкости. В связи с наличием значительного градиента скорости по сечению потока, что особенно имеет место при движении реальных жидкостей, рекомендуется измерять скорости в нескольких точках сечения. Тогда объёмный расход будет определяться по формуле (5.19), где vср - средняя скорость потока, а S - площадь живого сечения.

Q = vсрS, м3/с (5.19)

6. Истечение жидкости через малые отверстия и насадки

В технических установках часто истечение жидкости осуществляется через малые отверстия и насадки. При этом на выходе из отверстия происходит сжатие струи, которое характеризуется коэффициентом сжатия и определяется из выражения (6.1):

, (6.1)

где Sc - площадь поперечного сечения струи в месте сжатия, м2;

Тогда уравнение объёмного расхода (2.5) примет следующий вид:

Q = v Sc , м3/с (6.2)

Среднюю скорость потока v обычно выражают через скоростной напор

Н = и учитывают коэффициент сопротивления малого отверстия. Тогда уравнение (6.2) запишется в развернутом виде:

Q = (6.3)

Если учесть, что Sc =и принять , то окончательно получим уравнение расхода жидкости при истечении через малое отверстие:

Q=, (6.4)

где - коэффициент расхода ( 1).

В приближенных расчётах и при Re принимают , а при более точных расчётах значение определяют по табл. 3.1 в зависимости от числа Рейнольдса.

Таблица 6.1

	0,638	0,623	0,610	0,603	0,597	0,594	0,593
Re

Для увеличения пропускной способности малых отверстий к ним присоединяют насадки. В технике используются насадки различной формы, имеющие разные значения коэффициентов расхода (рис. 6.1).

= 0,82; 0,71 0,95 0,45 0,97

Рис. 6.1. 1- цилиндрический внешний; 2 - цилиндрический внутренний; 3-конический сходящийся; 4-конический расходящийся; 5- коноидальный.

Расход жидкости через насадок определяется по формуле (6.5):

Qн = , м3/с (6.5)

где - коэффициент расхода насадка.

На практике широко используется цилиндрический насадок, так как он прост в изготовлении и имеет достаточно большой коэффициент расхода.

7. Гидравлические машины

В общем случае машиной принято называть техническое устройство, совершающее механическую работу. В гидравлических машинах рабочим телом является жидкость. По назначению они подразделяются на три больших класса:

= насосы;

= гидродвигатели;

= гидроприводы.

Насос - гидравлическая машина, которая служит для создания напорного потока жидкой среды. Поток жидкой среды в насосе создаётся силовым воздействием вытеснителя на жидкость, находящуюся в рабочей камере насоса. По характеру силового воздействия насосы классифицируются на объёмные и динамические.

К объёмным насосам относятся:

= поршневые;

= диафрагменные;

= шестерённые.

Динамические насосы в свою очередь подразделяются на три вида:

= центробежные;

= осевые;

= струйные.

Основными техническими характеристиками насоса являются напор, подача и мощность. Наряду с общепромышленными насосами, обеспечивающими малые и средние значению напора и подачи рабочей среды, выпускаются и специальные, такие как вентиляторы и компрессоры.

Вентиляторы - это насосы, перемещающие сжимаемую жидкость (газ) и создающие малые напоры до 1500 мм вод. ст. (0,015 МПа).

Гидравлические машины, обеспечивающие высокую степень сжатия ? > 3,5 (? = Рвых /Рвх) и работающие с искусственным охлаждением называются компрессорами.

Гидродвигатели - машины, превращающие гидравлическую энергию потока жидкости в механическую. Некоторые технические устройства, например, гидроцилиндр, могут работать как насосы или как гидродвигатели, в зависимости от схемы подключения.

В современных мощных машинах часто вместо механических передач используются гидравлические передачи или гидроприводы.

Гидропривод - совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин при помощи жидкости.

Силовой частью гидропривода является гидропередача, состоящая из насоса и гидродвигателя. Назначение гидравлических передач такое же как механических: передача движения от двигателя к рабочему органу машины.

7.1 Поршневые насосы

Поршневой насос представляет собой гидравлическую машину объёмного действия, в которой вытеснение жидкости из рабочей камеры происходит в результате прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня. Схема типового одноцилиндрового насоса с кривошипным приводом показана на рис .7.1…v

Возвратно-поступательное движение поршня 5 обеспечивается электродвигателем с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из кривошипа 1, шатуна 2, ползуна 3 и штока 4. Рабочая камера насоса состоит из цилиндра с поршнем 5, всасывающего клапана 9 и напорного клапана 10. Перекачиваемая жидкость подаётся в рабочую камеру через всасывающий трубопровод 8 и отводится по напорному трубопроводу 11.



Рис.7.1: 1 - кривошип; 2 - шатун; 3 - ползун; 4 - шток; 5 - цилиндр с поршнем; 6 - фильтр; 7 - клапан приёмный; 8 -трубопровод всасывающий 9 - клапан всасывающий; 10 - клапан напорный; 11 - трубопровод напорный; 12 -13 - манометры

В нижней погруженной части всасывающего трубопровода дополнительно установлены фильтр 6 и приёмный клапан 7.

Принцип работы насоса заключается в следующем: В первом такте при движении поршня слева направо по стрелке 1 в рабочей камере создаётся вакуум. Под действием разности давлений (Ратм - Рвак) всасывающий клапан 9 откроется и по всасывающему трубопроводу 8 жидкость из водоёма будет подниматься в насос. Во втором такте при движении поршня влево по стрелке 2 жидкость в рабочей камере сжимается и её давление повышается. Тогда под действием силы давления напорный клапан 10 открывается и некоторый объём жидкости из рабочей камеры вытесняется в напорный трубопровод 11. При перекачке жидкостей часто определяющее значение имеет полная высота подачи жидкости Нn, представляющая собой сумму высот всасывания и нагнетания (рис. 7.1):

Нn = Нвс + Нн (7.1)

Основными техническими характеристиками насосов являются мощность, подача и напор. При этом теоретическая мощность N может расходоваться в различных соотношениях на подачу и на напор (7.2):

, Вт (7.2)

где: H - напор, м;

Q - подача, м3/с;

? - плотность, кг/м3.

Подача - это количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени. Подача, как и расход жидкости подразделяется на объёмную и массовую. Теоретическая объёмная подача QТ определяется по формуле (7.3):

, м3/с (7.3)

где: S - площадь поршня, м2;

s - ход поршня, м;

n - частота вращения кривошипа, 1/с.

Напор насоса представляет собой разность удельных энергий в сечениях потока, расположенных на выходе из насоса и перед ним. В насосной установке рис. 4.1 давления в этих сечениях измеряются манометром 12 и вакууметром 13. Теоретический полный напор HT определяется исходя из уравнения Бернулли, представленного в разностном виде:

, м (7.4)

где: - разность уровней установки манометра и вакуумметра, м;

- давление жидкости на выходе из насоса, Па;

- давление жидкости на входе в насос, Па;

, - скорости жидкости на выходе и на входе, м/с.

Т.е. полный напор насоса равен сумме геодезического, пьезометрического и скоростного напоров. По приведённым формулам определяются теоретические значения технических характеристик. Для получения действительных значений необходимо использовать полный КПД насоса, который в зависимости от типа и конструкции может иметь значение в пределах 0,7 - 0.9.

Поршневые насосы просты, надёжны и широко используются в технике, особенно для создания больших напоров. Основным недостатком одноцилиндровых поршневых насосов является неравномерность подачи, которая может быть уменьшена путём увеличения числа цилиндров, поршни которых насажены на общий вал. Неравномерность подачи можно уменьшить и другими способами: установкой воздушных колпаков, применением насосов дифференциального типа, насосов двойного действия и другие.

7.2 Центробежные насосы

Центробежные лопастные насосы относятся к классу динамических машин и обычно используются для создания низконапорных потоков жидкостей (до 1,0 МПа) с большими подачами.



Рис.7.2. Одноколёсный центробежный насос с односторонним входом: 1 - резервуар напорный; 2 - трубопровод напорный; 3 - патрубок нагнетательный; 4 - корпус насоса; 5 - рабочее колесо; 6 - трубопровод подводящий; 7 - фильтр; 8 - патрубок всасывающий; 9 - вал рабочего колеса

Корпус 4 центробежного насоса выполнен в виде улитки, а на валу 9 рабочего колеса 5 закреплены криволинейные лопасти. Вал с рабочим колесом приводится во вращение от электродвигателя. Корпус насоса снабжен двумя патрубками: всасывающим 8 и нагнетательным 3, причём, всасывающий патрубок подходит к центру корпуса насоса, а нагнетательный расположен по касательной к цилиндрической боковой поверхности корпуса. К всасывающему патрубку 8 последовательно подсоединены подводящий трубопровод 6 и фильтр 7. Обязательным конструктивным элементом центробежного насоса является обратный клапан (на рис. 4.2. не показан). Напорный участок насоса состоит из напорного трубопровода 2 и приёмного резервуара 1.

Принцип работы. Центробежные насосы не обладают свойством самовсасывания, поэтому перед пуском подводящий трубопровод заполняют перекачиваемой жидкостью. При наполнении трубопровода рабочей жидкостью обратный клапан закрывается. После включения электродвигателя рабочее колесо начинает вращаться и жидкость, заполняя межлопастное пространство под действием центробежной силы перемещается по профилю лопаток от центра к периферии. В результате такого перемещения в центральной полости корпуса образуется вакуум. Тогда под действием перепада давлений (Ратм - Рвак) обратный клапан откроется и жидкость по подводящему трубопроводу будет непрерывно поступать в рабочую камеру насоса.

Напор центробежного насоса Н определяется по основному уравнению лапастных машин (7.5), полученному Л. Эйлером ещё в 1755 г., когда такие насосы серийно ещё не производились:

, м (7.5)

где: u2 - переносная скорость жидкости на выходе из рабочего колеса, м/с;

v2 - абсолютная скорость жидкости на выходе из рабочего колеса, м/с;

- угол между векторами абсолютной и окружной скоростей, град.

Подача насоса Q определяется по известной формуле объёмного расхода Q = vS, которая применительно к центробежному насосу имеет вид (7.6):

, м3/с (7.6)

где: D2 - диаметр внешней окружности рабочего колеса, м;

b2 - ширина канала рабочего колеса, м.

Теоретическая мощность центробежного насоса определяется по общей формуле (7.2)

Для увеличения напора центробежного насоса на одном валу устанавливают несколько колёс, через которые жидкость проходит последовательно. Однако, увеличение числа рабочих колёс требует большой длины вала, что при вращении вызывает недопустимые прогибы и биения. Поэтому центробежные насосы для создания больших давлений, как правило, не используются.

7.3 Шестерённые насосы

Шестерённые роторные насосы, так же как и поршневые, относятся к насосам объёмного действия, работающие по принципу вытеснения жидкости. Они применяются когда при сравнительно небольшой подаче необходимо получить высокие давления. В современной технике их успешно используют в гидропередачах, в автоматических устройствах и системах регулирования, в топливных системах газотурбинных и ракетных двигателей, в гидравлических прессах и в смазочных системах двигателей для перекачки вязких жидкостей.

Рис. 7.3.а. Шестерённый насос Рис. 7.3.б. Коловратный насос

1 - корпус; 2 - патрубок всасывающий; 3 - патрубок нагнетательный 4 шестерни (ведущая и ведомая);

Шестерённый насос (рис. 7.3.а) состоит из пары одинаковых шестерён 4, находящихся в зацеплении и помещённых в корпус 1 с малыми торцевыми и радиальными зазорами. Для подсоединения к внешним трубопроводам корпус насоса имеет всасывающий 2 и нагнетательный 3 патрубки.

Принцип работы. Ведущая шестерня приводится во вращение электродвигателем. При вращении шестерён, находящихся в зацеплении, жидкость, находящаяся во впадинах между зубьями, перемещается из всасывающей полости 2 в нагнетательную 3. При работе насоса возникает большая разность давлений на входе и выходе, что сопровождается действием на шестерни больших по величине радиальных сил и может вызвать заклинивание ротора. Для ограничения максимального перепада давлений в корпусе насоса имеются разгрузочные каналы, соединяющие между собой всасывающую и нагнетательную полости насоса.

Подача шестерённого насоса определяется исходя из условия зацепления зубьев ведущей и ведомой шестерён. Каждый зуб вытесняет из впадины объём жидкости равный bS, где b - длина стороны зуба; S - площадь рабочей части зуба. За один оборот обе шестерни подают в область нагнетания объём жидкости V = 2bSz, где z - число зубьев шестерни. Тогда теоретическая подача QТ шестерённого насоса с двумя шестернями будет определяться по формуле (7.7):

, м3/с (7.7)

где n - частота вращения ведущей шестерни, 1/с.

Напор насоса определяется по уравнению Бернулли в разностном виде (7.4). Конструктивно кратное повышение напора достигается типовым способом, т.е. использованием многоступенчатой насосной установки, а для увеличения подачи используют насосы с тремя и более шестернями, расположенными вокруг центральной ведущей шестерни.

Шестерённые насосы реверсивны и обладают свойством обратимости, т.е. при подаче к ним жидкости под давлением они могут работать в качестве гидродвигателей. Простота конструкции и многофункциональность определяют их широкое использование в современной технике.

Для перекачки особо вязких жидкостей, таких как смолы, битумы и др., на производстве используются коловратные насосы, являющиеся одной из разновидностей шестерённых насосов (рис. 7.3.б). В коловратном насосе роторы не могут передавать крутящий момент внутри статора, поэтому они кинематически соединены между собой шестерённой парой, расположенной вне корпуса.

7.4 Гидроприводы

В любой машине передача усилия от двигателя к рабочему органу осуществляется специальным устройством, называемом приводом, которые могут быть механические или гидравлические. В современной мощной и скоростной технике всё большее распространение получают гидравлические приводы, имеющие ряд преимуществ.

В состав гидропривода входят: гидропередача, соединительные трубопроводы и устройства управления и обслуживания. По принципу действия гидроприводы подразделяются на объёмные и динамические, а по характеру движения выходного звена их разделяют на гидроприводы 1)поступательного, 2)поворотного и 3)вращательного движения.

В качестве рабочих жидкостей в них используются минеральные масла, которые практически несжимаемы и одновременно являются смазывающими и охлаждающими агентами. В условиях низких температур Сибири и Крайнего Севера в рабочую жидкость добавляют глицерин и спирт, которые снижают температуру замерзания до -600С.

Наиболее простым по конструкции является объёмный гидропривод поступательного движения, схема которого показана на рис. 7.4.



Рис. 7.4 Гидропривод состоит из следующих устройств: 1 - гидродвигатель; 2 - распределитель двухпозиционный кулачковый с возвратной пружиной; 3 - бак с рабочей жидкостью; 4 - насос регулируемый; 5 - клапан предохранительный

Принцип работы.

Регулируемый насос 4 засасывает рабочую жидкость из бака 3 и нагнетает её по трубопроводу через распределитель 2 в поршневую полость гидродвигателя 1. Под действием силы давления жидкости поршень гидродвигателя движется слева направо и вытесняет объём жидкости, находящийся в штоковой полости. Вытесненный объём жидкости по каналу распределителя свободно сливается в бак. Предохранительный клапан 5 срабатывает при перегрузке системы, т.е. когда рабочее давление превышает предельно допустимое значение.

Гидроприводы поворотного и поступательного движений отличаются конструкциями распределителей и гидродвигателей. На рис. 7.5 показана схема поворотного гидропривода с гидродвигателем шиберного типа 1.



Рис. 7.5

Рис. 7.6

При его работе внутреннее пространство гидродвигателя попеременно заполняется рабочей жидкостью с правой или с левой стороны лопасти, изменяя угол поворота лопасти. С учётом особенностей эксплуатации поворотного двигателя в схеме использован трёхпозиционный распределитель.

На рис.4.6. показана схема гидропривода вращательного движения.

Её особенностью является герметичность бака с рабочей жидкостью, в котором поддерживается избыточное давление для улучшения условий всасывания.

Широкое использование гидроприводов и гидропередач объясняется целым рядом их преимуществ в сравнении с механическими:

- бесступенчатое регулирование скоростей в широком диапазоне;

- передача больших сил и мощностей при малых размерах и весе;

- возможность автоматизации и дистанционного управления и др.

Список литературы

1. Дробнис В.Ф. Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод, М.: Просвещение, 1997

2. Лапшев Н.Н. Гидравлика, М.: Академия, 2006

3. Ухин Б.В. Гидравлика,М.: Форум-ИНФРА, 2009

4. Земцев В.М. Гидравлика, М.: АСВ, 2007

5. Запрягаев В.И., Крашенинников В.М. Краткий курс гидравлики, Новосибирск, НГПУ, 2002

6. Бандаевский Г.И. Машиноведение. Гидравлика и гидравлические машины. Методические указания. Томск, ТГПУ, 2009

Размещено на Allbest.ur

...