Гидравлический расчет напорного трубопровода

Размещено на http://www.allbest.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА НИКОЛАЯ II (МИИТ)

Кафедра «Путевые, строительные и робототехнические комплексы»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Гидравлика и гидропривод»

по теме:

«Гидравлический расчет напорного трубопровода»

Выполнил: ст. гр. ТПВ-311

Мухаева А.М.

Принял: к.т.н, доцент

Сокольский А.К.

Москва 2016



ВВЕДЕНИЕ

Гидравлика является общепрофессиональной дисциплиной, при изучении которой мы знакомимся с физическими свойствами жидкости, основными законами кинематики, гидростатики и гидродинамики, основами ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости. Расчет гидравлического трубопровода способствует обобщению и закреплению теоретических знаний. трубопровод давление гидравлический насос

В первой части целью расчетов является по заданной схеме трубопровода и исходным данным определить пропускную способность трубопровода, как при открытой, так и при прикрытой задвижке, расчет, построение и анализ пьезометрических линий, определение давлений в трубопроводе в заданных сечениях при различном положении задвижки, расчет гидравлического удара, возникающего вследствие быстрого изменения проходного сечения с помощью задвижки, определение давления в начале трубопровода, необходимого для увеличения расхода в заданное количество раз.

Во второй части работы необходимо по заданному типу насоса и параметрам трубопровода определить режим работы системы трубопровод-насос, затем проанализировать возможные изменения режимов работы (при наличие двух насосов и двух трубопроводов), проанализировать способы регулирования работы насоса и определить частоту вращения насосного колеса для обеспечения заданной подачи, рассчитать допустимую высоту всасывания и дать заключение о работоспособности установки с заданной высотой всасывания, затем определить наиболее выгодный режим работы системы из рассмотренных ранее.



ГЛАВА 1

1.1 Определение пропускной способности трубопровода

Запишем уравнение Бернулли для потока реальной жидкости:

(1)

Где б₁ принимаем равным 1

Произведем расчёт величины h:

м (2)

Произведем расчет величины:

см =28 м (3)

Запишем уравнение (1) в преобразованном виде:

(4)

Произведем расчёт его левой части:

(5)

Далее произведем расчет величины :

(6)

Тогда,

(7)

Преобразуем уравнение (7) путем выражения скоростей v₂ и v₃ через v₁ согласно зависимостям (8) (9) и вынесем слагаемое в качестве общего множителя за скобку.

(8)

(9)



Получим:

(10)

Произведем подсчет неизвестных коэффициентов уравнения (10)

Коэффициенты гидравлического сопротивления:

(11)

где k_эк - эквивалентная шероховатость (для стальных новых труб k_эк = 0,05 мм)

(12)

(13)

(14)

Коэффициенты потерь (принимаем согласно справочным данным)

(при закругленных кромках и плавном входе)

(при приоткрытой задвижке)(при открытой задвижке)

(при)

.

1.1.1 Расчет пропускной способности трубопровода при открытой задвижке

Произведем расчет требуемых в задании параметров для системы с полностью открытой задвижкой, для чего обозначим выражение в квадратных скобках уравнения (10) за число А и подсчитаем его, учитывая дополнительное слагаемое из уравнения (5):

Выполним подсчёт v₁:

м/с (15)

Подсчитаем расход:

м³/с (16)



Подсчитаем скорости:

м/c (17)

м/с (18)

Проверим правильность предположения о наличии турбулентного режима на всех трех участках трубопровода

(19)

Граничные числа Рейнольдса вычисляются по формуле (19) и соответственно равны:

Расчетные числа Рейнольдса:

(20)

- не выполняется

- не выполняется

- не выполняется

Пересчитаем величину , и , воспользовавшись формулой А.Д. Альтшуля:

(21)

С полученным значением необходимо далее выполнить окончательный пересчёт величин Q, v₁, v₂, v₃ для режима работы системы с полностью открытой задвижкой:

м/с

м³/с

м/c

м/с



1.1.2 Расчет пропускной способности трубопровода для системы с прикрытой задвижкой

Повторим расчет с учетом

Вычислим значение числа А

Выполним подсчёт v₁:

м/с

Подсчитаем расход:

м³/с

Подсчитаем скорости:

м/c

м/с

Проверим правильность предположения о наличии турбулентного режима на всех трех участках трубопровода

Граничные числа Рейнольдса соответственно равны:

Расчетные числа Рейнольдса:

- не выполняется

- не выполняется

- не выполняется

Пересчитаем величины ,и , воспользовавшись формулой (21) А.Д. Альтшуля:

Выполним окончательный пересчёт величин Q, v₁, v₂,v₃ для режима работы системы с приоткрытой задвижкой:



м/с

м³/с

м/c

м/c

1.1.3 Обобщение данных расчетов

Данные, полученные в расчётах для системы при открытой и приоткрытой задвижке сведем в таблицу 1

Таблица 1 - Обобщенные данные расчетов пропускной способности трубопровода.

Величины	Значения величин
	При открытой задвижке	При приоткрытой задвижке
	0,0152	0,0172
	0,0152	0,0169
	0,0154	0,0168
	1	450
Q, м3/с	0,0768	0,0367
v1, м/с	1,086	0,519
v2, м/с	1,565	0,748
v3, м/с	2,445	1,168
, м	0,0601	0,0137
, м	0,1248	0,0285
, м	0,3047	0,0695

1.2 Расчет и построение напорных и пьезометрических линий

Полный напор в любой точке напорного трубопровода равен:

(22)

где - сумма потерь напора от 1-й до любой другой i-той точки на трубопроводе.

Для построения напорной линии необходимо вычислить полные напоры во всех характерных точках трубопровода.

1.2.1 Расчет и построение напорных и пьезометрических линий для системы с полностью открытой задвижкой

Значения скоростных напоров для случая полностью открытой задвижки возьмем из таблицы 1:

м; м; м

Вычисляем полные напоры:

м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

Вычисляем пьезометрические напоры:



м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

м

1.2.2 Расчет и построение напорных и пьезометрических линий для системы с прикрытой задвижкой

Значения скоростных напоров для случая приоткрытой задвижки возьмем из таблицы 1:

м; м; м

Вычисляем напоры:

№	Полный напор	Пьезометрический напор
1	40,114	40,054
2	40,111	40,051
3	40,105	40,045
4	40,100	40,040
5	40,097	40,037
6	39,547	39,487
7	39,546	39,421
8	39,353	39,229
9	26,528	26,404
10	26,143	26,018
11	26,129	25,824
12	23,210	22,905
13	23,196	22,891
14	23,091	22,786
15	23,021	22,717

1.3 Определение давления в трубопроводе

(в сечениях А и В при открытой и приоткрытой задвижке)

С помощью пьезометрических линий определим давления в сечениях А и В для двух случаев работы системы. Для этого измерим пьезометрические напоры в указанных точках:

Для открытой задвижки:

cм

см

Для приоткрытой задвижки:

см

см

По уравнению:

(23)

вычислим давления в сечениях А и В для двух случаев работы системы:

ат

ат

ат

ат

1.4 Определение повышения давления в трубопроводе в случае прикрытия задвижки (Расчёт гидравлического удара)

Повышение давления при гидроударе вычисляется по формуле Н.Е. Жуковского:

(24),

где с - плотность жидкости (воды),

с - скорость распространения ударной волны, м/с.

(25),

где - с_о скорость распространения звука в покоящейся жидкости, м/с (для воды с_о=1435 м/с).

Е_ж - модуль упругости жидкости, кгс/см²); (модуль упругости воды равен 2.1·10⁴ кгс/м²)

Е_ст - модуль упругости материала стенок, кгс/см² (для материала «сталь» Е_ст = 2·10⁶ кгс/м²);

, - скорости движения жидкости на втором участке трубопровода соответственно при открытой и приоткрытой задвижке.

д_ст- толщина стенок трубопровода, в расчёте принимаемд_ст =3 мм.

Выполним расчёт выражения (25):

м/с

Выполним расчет повышения давления по формуле (24), учитывая, что м/с,м/с, кг/м³

Па = 8,715кг/см²

1.5 Определение давления в начале трубопровода, необходимого для увеличения расхода воды в 2,2 раза

Увеличение расхода в 2,2 раза можно получить путем увеличения скорости в 2,2 раза (согласно уравнению (16)).В уравнении (1) с изменением скорости изменяется два слагаемых: и , рассчитаем их новые значения:

м

м

Подставим новые значения (замечая, что слагаемое учитывает в себе слагаемое ) в уравнение (1), будем иметь:

м

ат - требуемое давление насоса



ГЛАВА 2

2.1 Определение первого режима работы насосной установки

Для определения потребного напора насосной установки воспользуемся выражением, получаемым из формулы Дарси-Вейсбаха, которое будет иметь вид:

(26)

где - потребный напор для необходимого расхода, м

- геометрическая высота, м

- удельное сопротивление трубопровода

- коэффициент, зависящий от скорости

- длина трубопровода, м

- расход воды в трубопроводе, л/с

Для определения режима работы насоса необходимо составить таблицу, в которой будет представлена характеристика трубопровода от величины расхода. Значения и принимаем в соответствии с таблицами в литературе [1] по значениям скорости, которые найдём по формуле (27):

(27)

где - диаметр трубопровода, м

В качестве примера проведем расчет для значения л/с, значения, соответствующие другим значениям расходов, приведены в таблице 2 без расчётов.

л/с=0,02м³/с

м/с

=м

Таблица 2 - Зависимость потерь в трубопроводе от расхода воды.

, л/с	0	10	20	30	40	50	60
, м/с	0	1,273	2,547	3,819	5,093	6,367	7,639
	0	0,979	0,938	0,923	0,914	0,909	0,906
, м	7	12,160	26,778	50,788	84,086	126,788	178,925

Из графика (рисунок 1) определим рабочий режим системы трубопровод-насос. По графику:

м

л/с

м

%



Рисунок 1 - Определение первого режима работы насосной установки

2.2 Исследование возможных изменений режима работы насосной установки

Изменения в режиме работы насосной установки связаны с применением двух насосов и двух трубопроводов соединенных в различных комбинациях, а именно:

1) Один насос, работающий на два параллельно соединённых трубопровода

2) Работа двух насосов на два параллельно соединённых трубопровода

3) Работа двух насосов на один трубопровод

На графике (рисунок 2) точки соответствуют:

В - 1 трубопровод и 2 насоса;

С - 2 трубопровода и 2 насоса;

D - 2 трубопровода и 1 насос.

Графически значения напоров и расходов для трех различных режимов работы насосной установки составляют:

м	м	м
л/с	л/с	л/с

Определим графически КПД каждого насоса, в случае их работы на один трубопровод.

%

КПД каждого насоса одинаковы.

Рисунок 2 - Возможные изменения режима работы установки



2.3 Анализ способов регулирования работы насоса

Способами обеспечения заданного значения расхода в трубопроводе является установка на нём задвижки или изменение частоты вращения насосного колеса. При первом варианте возрастает значение напора в трубопроводе до задвижки, при этом возрастают затраты мощности. Более рациональным является второй способ регулирования.

Частоту вращения, необходимую для обеспечения расхода можно определить из теории подобия для лопастных машин. Согласно этой теории:

(28)

Для определения значения необходимо построить параболу подобных режимов (ППР) - множество рабочих точек гидравлической машины, имеющих одинаковый КПД.

ППР имеет формулу:

(29)

Определить значение коэффициента К можно графически, воспользовавшись уравнением (29) и значениями и :

Составим таблицу, в которой значениям сопоставим значения параболы подобных режимов.

Таблица 3 - построение параболы подобных режимов

,	0	8	16	22	24	32	40	48
	0	2,19	8,76	16,55	19,70	35,02	54,72	78,80

Пересечение ППР и лини характеристики насоса это искомая точка. Определим значение расхода в этой точке, по которому найдём искомую частоту по формуле 30:

об/мин (30)

Рисунок 3 - Регулирование работы насоса изменением его частоты вращения

2.4 Расчеты допустимой высоты всасывания

Для расчета допустимой высоты всасывания необходимо учитывать 3 основные её составляющие:

1. Вакууметрическую допустимую высоту всасывания насоса

2. Кинетическую энергию потока воды

3. Потери по длине трубопровода

Выражение для расчета допустимой высоты всасывания имеет вид:

(31)

Скорость в точке А вычислим по формуле (учитывая что ):

м/с

Кинетическая энергия потока воды равна:

Потери по длине трубопровода определим по формуле:

(32)

м.

Из пункта 2.1 : м

Произведем расчет выражения 31:

м

Сравнив полученное значение и заданное значение можно сделать вывод:

- насос будет работать в данном режиме.

2.5 Определение экономически наивыгоднейшего режима работы установки

Наиболее выгодный режим работы установки определяется наибольшим значением КПД насоса(-ов). По графикам, построенным в пункте 2.2 определим значения КПД одного насоса для различных режимов работы установки:

%

%

%

%

Можно сделать вывод о том, что экономически наиболее выгоден вариант при работе одного насоса на два трубопровода, т.к. при этом варианте КПД насосов максимален.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсовой работы был произведен гидравлический расчет напорного трубопровода, а также расчет и исследование режимов работы элементов насосной установки. Расчет производился согласно основным законам и зависимостям гидравлики, что значительно упростило процесс усвоения дисциплину студентом. Итогом курсовой работы являются так же различные графики, построение которых выполнялось в процессе выполнения курсовой работы.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб. Издание 5-е, дополненное. Стройиздат, 1973.

2. В.Ф. Бойко Гидравлический расчёт напорных трубопроводов. Методические указания для студентов механических специальностей.

3. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Под редакцией Б.Б. Некрасова Минск «Высшая школа» 19

Размещено на Allbest.ru

...