Гидравлические машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Историческая справка о НТУ ”ХПИ” и кафедре гидромашин

Вы учитесь в Национальном техническом университете «Харьковский политехнический институт». Он является одним из самых старых технических Вузов в Украине, имеет более чем столетнюю историю. Официально открыт 15(27) ноября 1885 г. университет (сначала технологический институт) прошел большой и сложный путь, внес достойный вклад в развитие отечественной и мировой науки, техники, культуры, высшего образования.

Создание технологического институту в Харькове было обосновано ходом экономического, социального и культурного развития царской России. Особенно быстро развивалась промышленность на Юге России. Строились железные дороги, фабрики, заводы, шахты, рудники, предприятия транспортного и сельскохозяйственного машиностроения. Создавались новые промышленные районы. Крупным центром Украины стал Харьков. Уже в 1871 г. в нем работало 79 фабрик и заводов.

Промышленность страны ощущала острую потребность в технологах и других инженерных кадрах. Обеспеченность инженерными кадрами в то время составляла около 7%, да и то в большинстве за счет иностранцев. Готовил технологов один Петербургский практический технологический институт. Осенью в 1870 г. Ученому совету этого института Министерство финансов поручило подготовить материалы об организации в стране нового учебного заведения наподобие Петербургского с учетом местных особенностей и возможностей. Выбор выпал на Харьков. Строительство института началось в 70-х годах, но требовалось еще около 15 лет, чтобы добиться официального решения о его открытии. Первым директором института (с 3 июня в 1885 г. до 30 января в 1898 г.) был выдающийся ученый в отрасли механики и сопротивления материалов, талантливый организатор высшего технического образования в Украине, блестящий педагог Виктор Львович Кирпичев (1845-1913). Своими трудами (больше 40 учебных курсов и работ по сопротивлению материалов, графической статики, прикладной механики) В.Л.Кирпичев повлиял на развитие отечественной науки и техники, способствовал техническому прогрессу, особенно в отрасли машиностроения.

На начало открытия институт имел главный, физический и химический корпуса, механические мастерские и жилой дом. Первый прием студентов был осуществлен в августе в 1885 г. Заявления подали 286 чел., экзаменовались - 209, сдали экзамены - 138. Из них было принято 125 чел.: 85 на механическое и 40 - на химическое отделение.

В 1889 г. построено здание химических мастерских (в настоящий момент технический корпус).

В 1897 г. увеличивается вдвое прием студентов на первый курс. Вместо 125 теперь ежегодно стали набирать 250 чел. В этом же году начинается строительство чертежного корпуса (в настоящий момент главный корпус)

В 1890 состоялся первый выпуск инженеров института. Звания инженеров-механиков, инженеров-химиков и технологов, получили 38 чел. На это время был, в основном, укомплектован штат преподавателей (11 профессоров и 7 преподавателей - штатных и 7 профессоров и 8 преподавателей внештатных). Учебные планы предусматривали изучения таких дисциплин:

на первом курсе - богословие, аналитическая геометрия, дифференциальное и интегральное исчисление, физика, химия, начертательная геометрия, иностранные языки, черчение, рисование;

на втором курсе - сопротивление материалов, прикладная математика, физика, химия, аналитическая механика, геодезия, минералогия, строительное искусство, архитектура, иностранные языки, техническая и архитектурная графика;

на третьем - общие для двух отделений - механическая теория теплоты, технология металлов, теория и устройство паровых котлов, теория электричества, архитектурное проектирование, - для механического отделения читалась гидравлика, приложение механической теории тепла к паровым котлам и термическим двигателям, графическая статика, теория и устройство подъемных машин, устройство паровых машин, металлургия, сельскохозяйственные машины - для химического отделения - органическая химия, аналитическая химия технология минеральных веществ, анатомия и физиология растений, практические занятия в лабораториях;

на четвертом курсе - общие предметы: гидравлические сооружения, мельницы; - для механического отделения - строительная механика, технология дерева, механическая технология, заводские машины, проектирование по механике; для химического отделения - технология материалов красок, технология потребительских веществ, технология органических веществ, проектирование заводов минеральных веществ, проектирование паровых котлов, практические занятия;

на пятом курсе студенты готовились к сдаче выпускных экзаменов, выполняли задания по проектированию машин, промышленных зданий или предприятий.

В 1902 г. председателем комиссии по приему выпускных экзаменов у механиков был назначенный профессор Московского высшего технического училища, основоположник современной гидро-аэродинамики М.Е.Жуковский, у студентов химиков профессор Московского университета, представитель школы А.М.Бутлерова, - В.В.Марковников.

В 1901 г. в институте началась плодотворная деятельность крупного ученого-гидродинамика Георгия Федоровича Просвкуры.

Г.Ф.Проскура родился 29 апреля в 1876 г. в местечке Смела Черкасского уезда, Киевской губернии. По завершении Елисаветградского реального училища в 1895 г. Г.Ф.Проскура поступил в Московское высшее техническое училище (МВТУ). Уже в студенческие годы он проявил склонность к научной работе. Его выдающиеся способности были замечены, и по окончании МВТУ молодого инженера пригласили в Харьковский технологический институт. В 1904 г. в знак протеста против своеволия администрации он оставляет институт и уезжает в Петербург, где работает инженером-конструктором на судостроительном заводе.

В конце 1906 г. Г.Ф.Проскура вернулся в Харьковский технологический институт, с которым связал всю свою последующую жизнь.

В 1908 г. вышли в печати первые научные труды Г.Ф.Проскуры: «Курс водяных турбин» и «Регулирование хода машин двигателей». В следующем году публикуется новый его труд - «Гидродинамика водяных турбин в связи с расчетом и исследованием их». Эта монография была единственным на то время написанным на русском языке исследованием рабочего процесса водяной турбины и ее элементов с помощью общих уравнений гидромеханики.

Наряду с гидродинамикой Георгий Федорович интересовался теорией авиации и воздухоплавания. В 1910 г. он организовал аэросекцию студенческого научного общества, принимал участие в работе Всероссийского воздухоплавательного съезда (в 1912 г.)

В 1911 г. Г.Ф.Проскура был назначен адъюнкт-профессором кафедры прикладной механики. Тогда же вышли книги «Лекции по гидравлике» и «Теория паровых машин»; в 1912 г. выходит в печать новое издание курсов «Гидравлика» и «Регулирование хода машин двигателей»; в 1913 г. - «Водяние турбины»; в 1914 г. - «Гидравлика вместе гидростатикой».

В 1914-1915 гг. Г.Ф.Проскура осуществляет большую работу по оборудованию в ХТИ гидравлической лаборатории. С тех пор в институте существует кафедра гидравлических машин, которая неоднократно реорганизовывалась и изменяла название, и руководителем которой Георгий Федорович был до конца своей жизни.

Основной чертой научной деятельности Г.Ф.Проскури всегда было большое внимание к запросам практики, понимания путей развития техники, правильный выбор научной тематики, которая способствовала прогрессу техники; все свои труды и труды научных сотрудников, руководимых им, он считал законченными только после проверки их в лаборатории или на производстве.

Развивая идеи М.Е. Жуковского, Г.Ф.Проскура в статье «Теория пропеллерных турбин» (в 1922 г.) заложил основы теории турбин этого типа и указал способы их расчета. На то время эта статья была единственным в мировой литературе трудом, в котором рассматривалась теория пропеллерных турбин. Г.Ф.Проскура выдвинул и впервые проработал идею определения размеров рабочего колеса осевых турбомашин, исходя из минимума потерь. Позже эта идея была распространена и на воздушный винт.

Г.Ф. Проскурой опубликовано свыше 80 научных работ по проблемам турбостроения, насосостроения, авиации, использования энергии ветра. В 1929 г. выдающийся ученый был избран академиком Академии наук УССР. До последних дней жизни Георгий Федорович активно участвовал в научной и общественной жизни Украины. Умер Г.Ф.Проскура 30 октября 1958 г.

2. Работа студента в университете. Некоторые положения устава университета

В нашей стране предоставлены большие возможности всем гражданам для получения высшего образования. Эти возможности нужно студентам правильно использовать, что, к сожалению, бывает не всегда. “Если Вам дали хорошее образование, еще не значит, что Вы ее получили” - говорит народная пословица. Дело в том, что учиться нужно уметь. По этому поводу есть много высказываний и публикаций. Не имея возможности, привести их, остановимся только на некоторых основных вопросах учебы в вузах.

Процесс учебы имеет три составляющие: понимание; знание; умение.

Каждая из этих составляющих требует своего подхода, и все эти составляющие необходимы для самостоятельной деятельности специалиста. Можно, например, понимать явление, но, не имея соответствующих навыков, не уметь спроектировать, сделать ту или другую установку. Понимание, в свою очередь, предусматривает самостоятельность в подходе к решению задач, которые возникают во время учебы в университете. Основой для приобретения самостоятельности является организация работы студентов, включая и работу во время слушания лекций. Иногда справедливо говорят, что высшее образование - это умелая ориентация учащихся плюс их самостоятельная работа.

Отдельные составляющие учебного процесса, такие, как лекции, практические занятия, лабораторные работы и другие, закрепляются и превращаются в единую систему знаний только благодаря самостоятельной работе студентов. Лекции, которые, на первый взгляд кажутся пассивной формой учебного процесса, в действительности должны быть активными. Для студента они не должны сводиться к переписыванию в тетрадь слов лектора и формул, которые он пишет на доске. Лекции - это творческое, активное восприятие материала, который здесь же на лекции осмысливается. Для слушателей наиболее важно научиться выделять в лекции основное содержание, канву математических доказательств, не запутавшись в деталях. Манерой изложения, интонацией голоса лектор подчеркивает главные, принципиальные положения лекции, на которые студентам необходимо обратить внимание.

Кроме лекционных занятий в университете значительное время занимают другие виды занятий, такие, как практические занятия, лабораторные работы, курсовые проекты и другие.

Практические занятия нужны для разъяснения на конкретных примерах тех положений, которые давались на лекциях. Роль упражнений большая, они оживляют теоретические положения. К практическим занятиям, как и к лекциям нужно готовиться предварительно.

Не менее значительная роль лабораторных работ. Они так же, как и упражнения, иллюстрируют, закрепляют и уточняют общие положения лекционного материала. Физические процессы и закономерности изучаются во время выполнения лабораторной работы на конкретных физических объектах. Если к лабораторной работе не подготовить нужный теоретический материал, то время на ее проведение будет потеряно зря.

Изучение студентами учебного материала заканчивается зачетом или экзаменом, которые должны играть важную роль в подготовке будущих специалистов. Экзамены согласуются с основной задачею высшей школы - с развитием творческих способностей, умением воспринимать материал.

Может показаться, что учеба в вузе сводится к накоплению тех и только тех знаний, которые имеют отношение к будущей специальности. Но это не так. Инженеру в практической деятельности нужна незначительная часть тех знаний, которые он получил в течение пяти с половиной лет учебы в университете. Самая главная цель учебы заключается в том, чтобы по окончании университета специалист был способен воспринимать и создавать новое, умел творчески думать, ставить научные и технические задачи и решать их.

Проведения экзаменационной и зачетной сессии, как и других составляющих учебного процесса, имеют цель способствовать лучшему усвоению материала. Форма проведения экзамена, большое количество вопросов, которые предлагаются студентам в экзаменационных билетах, может привести к мысли, что все это не нужно с точки зрения будущей практической работы. Это не верно, ведь экзамены - это своего рода тренировка, которая необходима будущему специалисту точно так, как необходима разносторонняя тренировка спортсмену физическими упражнениями, которые не связаны с конкретным видом спорта, для достижения физической силы и смекалки, без которых невозможно достичь успехов, рекордов в любом виде спорта.

Для того, чтобы экзамен не казался "страшным" актом, чтобы не было разговоров о перегрузке, необходимо правильно организовать работу в продолжи семестра. Студент страдает не от перегрузки, а от неравномерной нагрузки в продолжении семестра. Подавляющее большинство студентов около 2/3 семестра работает в половину силы (если не меньше), и потому конец семестра у них перегружен. Именно в это время, конечно, и затрагивается вопрос о перегрузке, об избыточном объеме заданий и другое.

Во время подготовки к экзаменам важно правильно пользоваться предэкзаменационными консультациями. К консультации материал должен быть подготовленным. Лектор не должен и не будет на консультации повторять те или другие разделы курса. Он будет отвечать только на конкретные вопросы, и эти вопросы нужно предварительно подготовить. Некоторые студенты допускают ошибку, не приходят на консультацию, не имея вопросов к лекторам. На консультации лектор не только отвечает на вопрос, но и иногда по собственной инициативе дает разъяснение к наиболее тяжелым разделам курса, или дополняет его. Студент, который пропустил консультацию, в сравнении с другими окажется в менее выгодном положении.

Несколько слов о взаимоотношении преподавателя и студента на экзамене. Во-первых, нужно подчеркнуть, что экзаменатор, как правило, очень доброжелательно относится к каждому студенту. Весь семестр преподаватель читал курс, пытался научить студента "своему" предмету. Что может быть более приятное для него, чем услышать хороший ответ и поставить за нее хорошую оценку. Ставя двойку, экзаменатор доставляет неприятность другому человеку, иногда подводя его к исключению из университета. Чтобы поставить двойку, требуется определенное нервное напряжение.

Следовательно, преподаватель, приступая к опросу, относится доброжелательно к каждому студенту, как к порядочному и сообразительному человеку. Но у студента всеже есть риск потерять право на эту доброжелательность. Прежде всего, это бывает тогда, когда студент пытается пользоваться шпаргалками или другими неразрешенными источниками информации (перешептывание и другое). Еще одна возможность лишиться доброжелательности преподавателя - попытка уйти от прямого ответа на поставленный вопрос, повернуть разговор в другое, более знакомое русло, или иным способом скрыть свою неподготовленность. Часто бывает стыдно за студентов, которые потеряв чувство собственного достоинства, выпрашивают высшую оценку чем ту, которую они заслуживают.

Очень важно с первых дней учебы в университете установить тесный контакт с его библиотекой, которая является одной из лучших в Украине. Для удобного пользования библиотечными фондами существуют специальные каталоги. Каждому читателю необходимо иметь представление о двух основных типах каталогов: алфавитном и систематическом.

Алфавитный каталог служит для быстрого нахождения конкретного произведения, выяснения наличия этого произведения, в фонде библиотеки. Алфавитный каталог можно сравнить с адресным бюро, которое позволяет быстро найти «адрес» книги. В алфавитном каталоге карточки с описанием книг расположенные в алфавитном порядке фамилий авторов, если их не больше трех. Если авторов больше трех, карточка ставится в алфавитном порядке названия книги.

Если читателю не известные авторы и название книги на тему, которая его интересует, ему следует обратиться к систематическому каталогу. В систематических каталогах описания произведений сгруппированы в соответствии с их содержанием (по областям знаний) и расположенные в логической последовательности. Карточки на книги, которые относятся к одной области знаний, образуют раздел данной отрасли (например "Технические науки"). В систематическом каталоге разделы широких областей знаний подразделяются на подразделы. Например, подразделами "Технические науки" будут "История техники", "Горное дело", "Энергетика", "Металлургия", "Машиностроение" и другое. Карточки с описанием литературы по энергетике могут быть сгруппированы в такие подразделы: "Электрические системы", "Электрические станции", "Гидроэнергетика" и другие. В подразделе "Электростанции" в отдельную группу собранный материал, в котором представленные гидроэлектростанции и их энергетическое оборудование.

Каждому студенту необходимо познакомиться со структурой своей библиотеки, схемой расположения материала в систематическом каталоге и порядком заказа нужной литературы и ее получения.

3. Гидравлические машины

Гидравлические машины это машины, в которых происходит преобразование гидравлической энергии жидкости в механическую энергию рабочего органа (гидравлические двигатели) или механической энергии рабочего органа в гидравлическую энергию потока перемещаемой жидкости (нагнетатели). Кроме г.двигателей и нагнетателей (насосов) существуют ГМ, в которых происходит преобразование механической энергии первого рабочего органа в гидравлическую энергию потока, а затем гидравлической энергии жидкости в механическую энергию второго рабочего органа. Такие ГМ называются гидравлическими передачами.

Различают лопастные ГМ, в которых рабочим органом является вращающееся лопастное рабочее колесо (р.к.) и объемные ГМ, в которых, в зависимости от способа изменения объема, занимаемого рабочей жидкостью, рабочим органом может быть поршень, шибер, сильфон, шестеренная пара, винтовая пара и др. Лопастные ГМ преобразуют энергию потока в механическую (или механическую энергию в энергию потока) за счет обтекания лопастей р.к. Объемные ГМ - машины вытеснения, рабочий процесс в них происходит за счет изменения объема рабочей камеры при движении рабочего органа.



В свою очередь, ГМ, приведенные в нижнем ряду схемы подразделяются на виды в зависимости от конструкций, формы проточной части, параметров режима эксплуатации и др. Например:

Гидротурбины - активные, реактивные;

- высоконапорные, средненапорные, низконапорные ;

- радиально-осевые, диагональные, осевые;

- поворотнолопастные, пропеллерные;

- вертикальные, горизонтальные.

Большая группа современных ГМ относится к категории лопастных. Основной частью лоп. ГМ является р.к., состоящее из изогнутых лопастей. Оно приводится во вращение двигателем (насос) или потоком жидкости, обладающей запасом кинетической и потенциальной энергии (турбина).

Преобразование энергии двигателя в энергию жидкости в насосе происходит в процессе обтекания лопаток рабочего колеса и их силового воздействия на поток. При этом создается непрерывное перемещение жидкости от центра колеса к его периферии или в осевом направлении.



Рис. 3.1 Схема обтекания лопаток насосного колеса

Удельная энергия потока (энергия отнесенная к весу жидкости), обеспечиваемого насосом (напор), измеряется в метрах столба рабочей жидкости. Другими словами это та высота, на которую насос может поднять жидкость.

Напор, создаваемый насосом - разность удельных энергий на выходе из насоса и входе в насос. Напор измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Мощность, которую надо передать насосному колесу для создания необходимого напора, зависит от количества жидкости подаваемой насосом в единицу времени и его коэффициента полезного действия.

, Вт,

где - расход (количество жидкости подаваемой насосом в единицу времени - подача), м³/с ;- напор, который необходимо создать, м ; - КПД насоса.

В гидротурбине совершается обратный процесс - преобразование энергии потока жидкости в механическую энергию вращения вала р.к. т.е. срабатывание напора. Таким образом напор, срабатываемый турбиной - разность удельных энергий на входе и выходе из р.к.

Рис. 3.2 Схема обтекания лопаток насосного колеса

Движение жидкости в турбине происходит под напором, создаваемым разностью уровней верхнего и нижнего бьефов, а вращение вала р.к. - в результате активного или реактивного воздействия потока на изогнутые лопасти гидротурбины. При этом жидкость движется между лопастями р.к. в радиально-осевом или осевом направлении. В первом случае турбина наз. радиально-осевой, во втором - пропеллерной.

Мощность, развиваемая гидротурбиной:

, Вт,

где - расход (количество жидкости пропускаемое турбиной в единицу времени), м³/с ;- располагаемый напор, м; - КПД гидротурбины.

Для работы ГМ необходимо обеспечить подвод и отвод рабочей жидкости. Так у насосов подводящим органом является всасывающая труба, обеспечивающая осевой подвод жидкости, а отводящим - спиральная камера в случае центробежного насоса или напорный патрубок, соосный с осью вращения р.к. в случае осевого насоса.

Рис. 3.3 Схема насосной установки

У гидротурбин подводящим органом является спиральная камера, а отводящим отсасывающая труба (чаще всего изогнутая).

Рис 3.4 Схема турбинной установки

Гидропередачи, использующие лопастной насос и лопастную турбину наз. гидродинамическими передачами. Их назначение - передача механической энергии от двигателя (паровой машины, электродв., ДВС) к потребителю (гребной винт, ПМ, трансмиссия транспортных машин). Впервые ГДП использовались на флоте.

Рис. 3.5 принципиальная схема гидродинамической передачи

Предельное сближение насосного и турбинного колеса в одном корпусе породило новый тип гидромашины, которую называют гидромуфта. Момент приложенный к насосному колесу передается турбинному посредством энергообмена между рабочей жидкостью и указанными колесами.

Установка дополнительного колеса (реактора) позволила изменять (трансформировать) передаваемый от насоса к турбине момент. Такая гидродинамическая передача получила название гидротрансформатор.

К достоинствам гидродинамических передач следует отнести:

1) простоту и надежность эксплуатации;

2) возможность передавать большие при сравнительно габаритах;

3) отсутствие жестких связей;

4) исключение перегрузки двигателя;

5) увеличение срока службы машины;

6) малый удельный вес на единицу мощности.

Однако гидродинамические передачи имеют следующие недостатки:

1) переменный к.п.д. по режимам работы;

2) необходимость охлаждения рабочей жидкости;

трудности в создании надежных и долговечных уплотнений

3.2 Объемные гидромашины

Объемные насосы служат для подачи жидкости под давлением, а гидродвигатель - для преобразования энергии давления в механическую энергию. Принципиально любой насос может работать в режиме гидродвигателя, если в его полость подавать жидкость под давлением, а с вала снимать механическую мощность. Отличительной особенностью объемных гидромашин является возвратно-поступательное или вращательное движение вытеснителя, выполняемого в виде скользящего или вращающегося поршня. В отличие от лопастных машин, в объемной гидромашине под непосредственным воздействием поршня изменяется потенциальная энергия давления при практически неизменной кинетической энергии жидкости. Поэтому иногда объемные гидромашины условно называют гидростатическими. По конструкции объемные гидромашины разделяют на поршневые, роторно-поршневые, роторно-пластинчатые и роторно-зубчатые. В объемных гидропередачах и приводах применяются все перечисленные виды основных конструктивных разновидностей объемных гидромашин. В качестве насосов для подачи воды и других жидкостей преимущественно используются различные схемы поршневых насосов.

· Поршневые насосы. Рассмотрим простейшую схему поршневого насоса с возвратно-поступательным движением поршня.

Рис.3.6 Поршневая гидромашина

В цилиндре 2 поршень 1 совершает возвратно-поступательное движение. При движении поршня вправо объем рабочей камеры 3 увеличивается, а давление в ней уменьшается, и жидкость из резервуара через всасывающий клапан 4 поступает в рабочую камеру. Так происходит всасывание при закрытом нагнетательном клапане 5. При движении поршня влево заполненный жидкостью объем рабочей камеры уменьшается. Давление в камере повышается; под действием давления всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается, и жидкость из рабочей камеры вытесняется через нагнетательный патрубок в напорный трубопровод. Далее при вращении кривошипа 6 описанный цикл поршневого насоса повторяется.

Подача (производительность) поршневого насоса определяется как произведение объема жидкости , вытесняемого поршнем за один рабочий ход, на число рабочих ходов в единицу времени, т.е. по формуле:

,

где - диаметр поршня; - объемный К.П.Д.; - ход поршня.

В отношении величины подачи возможности поршневых насосов ограничены, и поэтому для водоснабжения эти насосы применяются в редких случаях, когда источник воды находится на значительной глубине, а дебит его небольшой.

Подача поршневого насоса ввиду переменной скорости поршня - пульсирующая. Для уменьшения пульсаций жидкости в поршневом насосе предусматривают воздушные колпаки, переходят на дифференциальную схему насоса либо применяют насосы двойного действия и многоцилиндровые схемы насосов.

Поршневые насосы широко применяются для подачи различных жидкостей при малых расходах и больших давлениях, что объясняется следующими их достоинствами

1. высоким К,П,Д.;

2. большим давлением в одной ступени;

3. хорошей всасывающей способностью;

4. возможностью применения их для перекачки самых разнообразных жидкостей - горячих и холодных, вязких и весьма текучих, чистых и со взвешенными примесями, с постоянной и переменной вязкостью.

· Роторно-поршневые насосы и гидродвигатели.

Более равномерную подачу жидкости можно получить путем применения многоцилиндровых поршневых машин, цилиндры которых объединены в общий блок. Вытеснение жидкости в многоцилиндровых машинах производится последовательно несколькими поршнями, приводимыми в движение непосредственно от двигателя вращательного движения.

Такие многоцилиндровые поршневые машины называют роторно-поршневыми. В зависимости от способа приведения поршней в движение различают роторно-поршневые машины с вращающимся и неподвижным блоком. Цилиндры могут быть расположены радиально и аксиально по отношению к оси блока. Их называют, соответственно, радиально-поршневыми и аксиально-поршневыми.

В радиально-поршневых машинах ротор 1 расположен эксцентрично относительно статора 2. в роторе просверлены радиальные цилиндрические отверстия (цилиндры). Поршни 3 при вращении ротора совершают в цилиндрах возвратно-поступательное движение, скользя своими сферическими головками по внутренней поверхности статора. Донышки цилиндров имеют сквозные отверстия а, которые сообщаются то с верхним, то с нижним сегментным вырезом в распределительной цапфе 4. Сегментные вырезы, разделены перегородкой и образуют две камеры: при направлении вращения ротора по часовой стрелке в верхнем вырезе будет всасывающая камера, а в нижнем - нагнетательная. Поршни, соединенные с верхним вырезом в цапфе 4, двигаясь от оси вращения, всасывают жидкость из верхнего выреза в свои цилиндры и вместе с вращающимся блоком, пройдя уплотнительную перегородку цапфы, переходят в нижнюю половину машины. Здесь поршни, двигаясь к оси вращения блока, вытесняют жидкость под давлением в нижний сегментный вырез цапфы, т.е. в камеру нагнетания.

Рис. 3.7 Радиально-поршневая гидромашина

При подаче жидкости под давлением в верхний вырез цапфы ротор вращается, отводя жидкость через нижний вырез распределительной цапфы, т.е. радиально-поршневая машина работает как гидродвигатель.

У аксиально-поршневых гидромашин блок 1 имеет цилиндрические отверстия (цилиндры), параллельные его оси вращения. Поршни 2, выталкиваемые из цилиндров пружинами, упираются своими сферическими головками в неподвижный наклонный диск (шайбу) 3. При вращении блока упирающиеся в диск поршни совершают относительно цилиндров возвратно-поступательное движение.

Рис. 3.8 Аксиально-поршневая гидромашина

В крышке 4, к которой ротор плотно прилегает своим торцом, имеются две дугообразные канавки 5, разделенные уплотнительной перегородкой 6. Одна из канавок сообщается со всасывающей линией 7, а другая - с напорной 8. Во время вращения блока донные отверстия цилиндров, перемещаясь по дугообразным канавкам, соединяют полости цилиндров то с всасывающей линией, то с напорной. В момент, когда донное отверстие переходит перегородку 6, заполнившая данный цилиндр жидкость переноситься из полости всасывания в полость нагнетания.

Если в аксиально-поршневую машину подавать жидкость под давлением во всасывающую полость и отводить через нагнетательную, то она будет работать как гидродаигатель вращательного движения.

· Роторные гидромашины

1) Роторно-пластинчатые (шиберные) гидромашины.



Рис. 3.9 Роторно-пластинчатая гидромашина

Ротор 1 размещен в корпусе насоса между двумя плотно прижатыми к нему торцовыми дисками 2. в радиальных пазах установлены пластины (шиберы) 3. ось вращения ротора располагается по отношению к статору 4 эксцентрично. Прижатые к статору и вращающиеся вместе с ротором пластины скользят по внутренней цилиндрической поверхности статора, совершая одновременно возвратно-поступательное движение относительно ротора в его пазах.

Из-за эксцентричности расположения ротора при удалении пластин от точки, где расстояние между ротором и статором минимальное, объем полости между пластинами увеличивается. В результате этого давление уменьшается и полость заполняется жидкостью, поступающей через окно 5, расположенной на периферии статора и сообщающееся со всасывающим патрубком 6 насоса. Поступившая в полость всасывания жидкость переносится пластинами в направлении вращения ротора. Затем, когда пластины проходят точку с максимальным расстоянием между ротором и статором, объем пространства между пластинами начинает сокращаться, и жидкость вытесняется в нагнетательный патрубок 7.

На основе роторно-пластинчатых машин разрабатываются роторно-пластинчатые гидропередачи.

2) Шестереночные насосы и гидродвигатели

Главными рабочими деталями простейшего шестереночного насоса являются две одинаковые шестерни 1, находящиеся в зацеплении и помещенные корпусе 2 между двумя плотно пригнанными к ним торцовыми дисками 3. ведущая шестерня получает вращение от двигателя. Центральная часть корпуса имеет два патрубка: подводящий (всасывающий) и отводящий (нагнетательный). Полость всасывания образуется там, где зубья выходят из зацепления. Полость нагнетания образуется с противоположной стороны, где зубья входят в зацепление, вытесняя жидкость из впадин в нагнетательный патрубок.

Если в камеру всасывания шестереночного насоса подавать жидкость под давлением, а через нагнетательную отводить, то шестереночная гидромашина будет работать в режиме гидродвигателя.

Рис. 3.10 Шестереночная гидромашина

Рис. 3.11 Винтовая гидромашина

Винтовые насосы отличаются равномерной подачей жидкости, а гидродвигатель - равномерным крутящим моментом. Основными рабочими органами являются винты, находящиеся в зацеплении и размещены в корпусе с весьма малым зазором. Винтовые гидромашины изготавливаются в двух- и трехвинтовом исполнении. Преимущество получили трехвинтовые двухзаходные гидромашины с циклоидальным зацеплением.

Ведущий винт 2 с двумя ведомыми 4 устанавливается в корпусе 5, имеющем всасывающий патрубок 1 и напорный 3. Так же и в шестереночном насосе, в полости всасывания винтовые зубья при вращении винтов раскрывают впадины, и жидкость поступает в камеру нагнетания из патрубка 1. При дальнейшем вращении винтов заполнившая впадины жидкость отделяется от всасывающей камеры и переносится вдоль оси по винтовой нарезке в камеру нагнетания, где зубья винтов, входя во впадины, вытесняют жидкость в напорный патрубок 3.

Винтовые насосы и гидродвигатели применяют в объемных гидроприводах, гидравлических системах регулирования гидравлических турбин, в нефтяной промышленности.

4. Гидравлика. Жидкость и ее важнейшие физические свойства

Гидравликой называется прикладная техническая наука, в которой изучаются законы равновесия и движения капельных жидкостей, а также методы применения этих законов в различных областях инженерной практики.

4.1 Объемный вес и плотность

Жидкость представляет собой физическое тело, в котором силы межмолекулярного сцепления меньше чем у твердых тел. Жидкость настолько подвижна, что она течет под действием сил тяжести (текучесть). В обычном состоянии жидкость оказывает весьма малое сопротивление разрыву и большое сопротивление всестороннему сжатию (малая сжимаемость). Вместе с тем жидкость оказывает значительное сопротивление относительному движению соседних слоев (вязкость).

Обычно под общим названием жидкости объединяют капельные жидкости и газы, когда их можно считать как сплошную малосжимаемую среду.

Капельные жидкости - вода, нефть, керосин, бензин, ртуть и другие - образуют капли. Газообразные жидкости - воздух и другие газы - в обычном состоянии капель не образуют.

Объемный вес - вес единицы объема. Объемным весом жидкости называется отношение

, Н/м³

где - вес жидкости; - объем, который занимает жидкость.

Величину также называют удельным весом.

Плотность. Плотностью называется масса единицы объема жидкости, т.е. отношение массы к объему :

, кг/м³

Между объемным весом и плотностью существует следующая связь:

т.к. , а и ,

где - ускорение силы тяжести, то

и окончательно

Объемные веса и плотности некоторых жидкостей

Наименование жидкости	Объемный вес, Н/м3	Плотность, Кг/м3
Чистая пресная вода	9810	1000
Обычная морская вода	10104	1030
Нефть легкая	6436-8633	860-880
Нефть средняя	8633-8829	880-900
Нефть тяжелая	8829-123	900-930
Керосин	7750-8044	790-820
Бензин	6867-7357	700-750
Смазочные масла	8731-9025	890-920
Спирт безводный	7750-7848	790-800
Ртуть	133416	13600

Силы внутреннего трения (силы вязкости). При движении реальных (вязких) жидкостей в результате перемещения ее частиц возникают касательные силы трения. Всякое трение сопровождается потерей энергии, поэтому при движении жидкости неизбежно теряется часть энергии, содержащаяся в потоке.

Вязкость жидкостей характеризуется динамическим коэффициентом вязкости , () или коэффициентом кинематической вязкости , м²/с.

Связь между этими коэффициентами:

На практике наиболее часто используется кинематический коэффициент вязкости.

Кинематические коэффициенты вязкости некоторых жидкостей

Наименование жидкости	, м2/с.
Бензин	0,65х10-6
Чистая пресная вода	1,01х10-6
Спирт безводный	1,33х10-6
Ртуть	1,57х10-6
Керосин	2,5х10-5
Нефть легкая	2,5х10-5
Нефть тяжелая	1,4х10-4
Смазочные масла	1,72х10-4

4.2 Понятие о реальной и идеальной жидкости

При рассмотрении основных физических свойств капельных жидкостей было установлено, что жидкости существующие в природе, или, как их обычно называют «реальные» жидкости характеризуются наличием очень малых сил сцепления между отдельными частицами. Эти физические свойства реальных капельных жидкостей позволили ввести в гидравлику понятие «идеальной», или «совершенной» жидкости, что произведено с целью облегчения решения многих задач и проблем гидромеханики и практической инженерной гидравлики.

Итак, «идеальной», или «совершенной» жидкостью называется такая условная жидкость, которая считается совершенно несжимаемой и нерасширяющейся, обладает абсолютной подвижностью частиц и в ней отсутствуют силы внутреннего трения (т. е. силы вязкости равны нулю).

Совершенно очевидно, что, пренебрегая сжимаемостью и расширяемостью жидкости, а также силами сцепления и силами внутреннего трения, мы значительно облегчаем решение многих задач. Во многих случаях учет всех этих факторов не позволил бы вообще получить никаких решений в конечном виде. Поэтому использование понятия об идеальной жидкости оказалось весьма полезным и практичным.

Рассматривая вместо реальной жидкости идеальную, мы в ряде случаев не делаем очень большой ошибки. Если идеальная жидкость считается абсолютно несжимаемой и не расширяющейся, то и в реальных жидкостях мы наблюдаем практически постоянные объемы и плотности. Если в идеальной жидкости частицы ее считаются абсолютно подвижными, то и в реальных они являются очень подвижными. Следовательно, только пренебрежение вязкостью жидкостей (силами внутреннего трения) может дать более или менее существенное расхождение в получаемых результатах с действительными условиями. Но здесь на помощь приходит лабораторное экспериментирование, а также наблюдения в натуре, которые позволяют учесть и устранить неточности, неизбежно возникающие в результате рассмотрения движения идеальной жидкости вместо реальной.

5. Гидростатика

5.1 Гидростатическое давление и его свойства

Когда жидкость находится в состоянии покоя, в ней не проявляются силы вязкости. Следовательно, реальные жидкости, находящиеся в покое, будут характеризоваться свойствами, очень близкими к свойствам идеальной жидкости. Поэтому все задачи гидростатики, рассматриваемые с использованием понятия об идеальной жидкости, решаются с большой точностью.

Покоящаяся жидкость подвержена действию двух категории внешних сил: массовых и поверхностных. Массовыми являются силы, пропорциональные массе жидкости: силы тяжести, а также силы инерции. Последние действуют, например, в том случае, когда жидкость находится в относительном покое, будучи помещена, например, в движущуюся цистерну и т. д. Поверхностные силы -- это силы, действующие на поверхности исследуемых объемов жидкости, например, сила давления поршня на поверхность жидкости. В результате действия внешних сил внутри жидкости возникают напряжения, измеряемые в ньютонах на квадратный метр (Н/м²) и т. д.

Сжимающее напряжение, возникающее внутри покоящейся жидкости, называется гидростатическим давлением или напряжением гидростатического давления.

Установим основные положения, связанные с понятием гидростатического давления. Рассмотрим некоторый объем жидкого тела, находящегося в равновесии (рис. 5.1).

Разделим плоскостью АВ данный объем жидкости на две части. Жидкость, заключенная в части І исследуемого объема, будет воздействовать на часть ІІ по плоскости раздела АВ. Обозначим площадь раздела через (Рис. 5.1), мысленно отбрасывая правую часть І. Тогда для сохранения равновесия оставшейся левой части заменим воздействие на нее отброшенной правой части силой Р, называемой силой гидростатического давления, действующего на площадь .

Разделив силу гидростатического давления Р на величину площади , получим среднее гидростатическое давление

.

Возьмем на плоскости АВ произвольную точку С и выделим около нее малую площадку (рис. 5.1). На эту площадку будет приходиться некоторая сила . Если мы будем уменьшать площадку таким образом, чтобы она стремилась к нулю, то получим предел отношения силы к площадке , называемый гидростатическим давлением в данной точке С:

Рис.5.1 Рис.5.2

Как уже указывалось ранее, гидростатическое давление имеет размерность напряжения - Н/м².

Свойства гидростатического давления.

Первое свойство: гидростатическое давление направлено всегда по внутренней нормали к площадке, на которую это давление действует. Доказывается оно методом от противного. Будем рассматривать некоторый объем жидкости, находящийся в равновесия (рис. 5.2). Разделим этот объем произвольной поверхностью на две части. На поверхности раздела возьмем точку А. Предположим, что сила гидростатического давления, приложенная в этой точке, направлена не по нормали к площадке, на которой расположена точка А. Тогда сила гидростатического давления Р могла бы быть разложена на две составляющие: на нормальную Р_n и касательную Р_к к поверхности . Но, как известно, жидкость не может сопротивляться касательным усилиям. Поэтому, если бы могла существовать касательная составляющая силы гидростатического давления Р_k, то частицы жидкости вышли бы : из равновесия, т. е. нарушилось бы основное условие о равновесии жидкости. Следовательно, наше предположение неправильно, а потому единственно возможное направление силы гидростатического давления - нормальное к площадке.

Докажем теперь, что сила гидростатического давления может быть направлена только по внутренней нормали. Предположим, что сила гидростатического давления направлена по внешней нормали, как показано на рис. 5.2 в точке В. Так как в идеальной жидкости не может существовать растягивающих усилий, то при направлении силы гидростатического давления по внешней нормали частицы жидкости пришли бы в движение, что опять противоречит условию о равновесии.

Рис. 5.3

Следовательно, единственно возможное направление силы гидростатического давления -- по внутренней нормали. Таким образом, силы гидростатического давления, будучи всегда направлены внутрь жидкости, являются силами сжимающими.

В т о р о е. свойство: гидростатическое давление в любой точке жидкости по всем направлениям одинаково. Это свойство может быть доказано следующим образом: в жидкости, находящейся в равновесии, выделим около точки А (рис. 5.3) бесконечно малую пятигранную призму с бесконечно малыми сторонами dx, dy dz и dn. Рассмотрим условия равновесия этой призмы, находящейся под действием внешних сил.

Внешними силами здесь являются нормальные силы гидростатического давления , , , и , действующие на пять сторон призмы АВCD, ABF, DCE, ADEF и BCEF, и объемные силы Q, пропорциональные массе (сила тяжести, центробежные силы). Далее объемными силами будем пренебрегать, ввиду их малости высшего порядка.

Следует заметить, что силы гидростатического давления и , равные по величине и противоположные по направлению, взаимно уравновешиваются, а потому нами не будут приниматься во внимание. Определим силы гидростатического давления , и .

Обозначим через , и средние гидростатические давления, действующие на каждую из рассматриваемых сторон призмы в направлении осей , и нормали к площадке BCEF. Ввиду бесконечной- малости -площадок ABCD,.ADEF и BCEF средние-гидростатические давления , и являются одновременно и гидростатическими давлениями в любой точке указанных площадок. Тогда силы гидростатического давления , и могут быть выражены следующим образом:

; ; .

Для того чтобы призма ABCDEF находилась в равновесии, сумма проекций на любую ось всех сил, действующих на призму, должна быть равна нулю. Составим условия равновесия исследуемой нами призмы относительно координатных осей и . Для этого проектируем на эти оси все действующие силы. Так как силы гидростатического давления и , будучи параллельны соответствующим осям координат, проектируются в натуральную величину, указанные условия равновесия в аналитической форме могут быть представлены следующим образом:

;

;

где - угол между направлением силы и осью , или

;

.

Так как очевидно, что (рис. 5.3)

, а .

то

;

,

или

;

,

что приводит к следующему окончательному равенству:

;

,

или

.

Следовательно, гидростатическое давление в исследуемой точке А по всем направлениям одинаково, поскольку направление было взято нами произвольно.

5.2 Основное уравнение гидростатики

В общем случае на жидкость могут действовать объемные и поверхностные силы по всем направлениям. Равновесие жидкости под действием этих сил, приведенных к единице массы, представляется следующей системой уравнений, полученной Л.Эйлером в 1755 г.:

;

; (5.1)

.

Здесь , и проекции ускорения на оси координат, а , и - изменение давления по соответствующим направлениям (градиент).

Умножив уравнения (5.1) соответственно на , , и складывая их найдем:

.

Так как , то выражение в скобках в правой части этого уравнения представляет собой полный дифференциал давления и, следовательно,

(5.2)

Рассмотрим наиболее распространенный случай равновесия жидкости, заключенной в вертикальном цилиндрическом сосуде, когда она находится в покое под действием силы тяжести и внешнего давления на ее свободной поверхности.

Рис. 5.4

Проекции ускорения на оси координат для принятых условий равновесия соответственно равны

, , .

Знак «-» перед ускорением силы тяжести обусловлен тем, что ось направлена в противоположную силе тяжести сторону.

Следовательно, дифференциальное уравнение (5.2) для рассматриваемого случая приме следующий вид:

или

. (5.3)

Полученное уравнение является дифференциальным уравнением равновесия жидкости, находящейся под действием только силы тяжести.

В результате интегрирования уравнения (5.3) имеем

, (5.4)

где С - постоянная интегрирования.

Граничные условия на поверхности жидкости нам известны: при , давление . Следовательно,

.

Подставим полученное выражение для постоянной интегрирования С в зависимость (5.4)

= (5.4_а)

Или окончательно

(5.5)

Учитывая, что - величина заглубления заданной точки под свободную поверхность жидкости (см рис.5.4), на основании зависимости (5.5) можем написать уравнение, называемое основным уравнением гидростатики:

, (5.6)

где - абсолютное гидростатическое давление в точке М, которое равно давлению на свободной поверхности, сложенному с так называемым весовым давлением, обусловленным весом самой жидкости. Разность между абсолютным гидростатическим и атмосферным давлением называется избыточным гидростатическим или избыточным манометрическим давлением, характеризующим избыток давления по сравнению с атмосферным.

Если обозначить абсолютное давление через, а избыточное - через , то можно написать такое равенство:

,

или

(5.7)

Пример: Определить абсолютное и избыточное давление на дно открытого резервуара, наполненного водой. Глубина воды в резервуаре = 4,0 м.

Пользуясь уравнением (5.6) запишем

,

где =Н/м²; =1000 кг/м³; = 9,81 м/с²,

получаем

=140540 Н/м²,

А из (5.7)

Н/м².

В технике иногда применяются внесистемные единицы давления:

- физическая атмосфера 1 атм= Н/м²,

1 атм=760 мм рт. ст,

1 атм=10,33 м в. ст,

1 атм=1,013 бар,

1 бар=10⁵ Н/м².

- техническая атмосфера 1 ат = 1 кгс/см² или Н/м² или 10 м вод.ст

5.3 Основные законы гидростатики

1) Предположим, что в закрытом сосуде, изображенном на рис. 5.5, в области точки А установлен поршень, который может оказывать давление на некоторую часть пограничной поверхности жидкости.

Рис. 5.5

Величина гидростатического давления в любой точке жидкости подчиняется основному уравнению гидростатики

.

Член зависит только от веса столба жидкости высотой , поэтому насколько изменим давление в точке А под поршнем, ровно настолько изменится давление в любой точке внутри жидкости. В гидравлике это положение носит название закона Паскаля.

Закон Паскаля может быть сформулирован следующим образом: Внешнее давление, производимое на жидкость, находящуюся в равновесии в замкнутом сосуде, передается внутрь жидкости одинаково всем ее частицам.

Закон Паскаля имеет широкое применение в технике и используется при конструировании различных гидравлических установок, действие которых основано на передаче давления внутри жидкости (гидравлические прессы, подъемники, гидравлические тормоза и др.).

2) Давление жидкости на площадки А и В на стенках сосуда (рис. 5.6) и на любую площадку С внутри жидкости, расположенную на той же глубине , одинаково и равно . Этим объясняется так называемый «гидростатический парадокс»: давление на дно сосуда не зависит от формы сосуда и определяется уровнем жидкости в сосуде.

Рис. 5.6

Если в точке В к сосуду подсоединить открытую изогнутую трубку, жидкость в ней поднимется на ту же высоту, что и в открытом сосуде. Этот факт объясняется законом сообщающихся сосудов: однородная жидкость устанавливается в сообщающихся сосудах на одном и том же уровне. На этом принципе работают приборы для измерения давления - пьезометры, устройства для визуализации уровня жидкости в закрытых не прозрачных резервуарах, а также строительные гидравлические уровни.

Рассмотрим покоящуюся жидкость в закрытом резервуаре с давлением на свободной поверхности (Рис. 5.7). выберем в этом резервуаре две произвольные точки А и В и установим в каждой из них по пьезометру. Для сопоставления величин примем плоскость сравнения, следом которой пусть будет линия 0 - 0.обозначим координаты или отметки точек А и В по отношению к плоскости сравнения через и . Если гидростатическое давление в этих точках обозначить через и , то пьезометрические высоты в пьезометрах А и В соответственно будут равны и .

Рис. 5.7

Суммы высот и или. и называются гидростатическим или пьезометрическим напором в данной точке жидкости относительно выбранной плоскости сравнения 0 - 0, согласно уравнению (5.4_а) они равны между собою. Следовательно, для данного объема жидкости пьезометрический напор относительно выбранной плоскости сравнения есть величина постоянная, или

...