Сущность гидравлического удара и линии тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Линия тока, трубка тока, элементарная струйка

Линия тока - движущуюся жидкость можно рассматривать как совокупное движение материальных точек.

Соединив линией все последующие по времени положения материальной точки, получим линию, которую называют линией тока (рис. 1).

Рисунок 1 - Линия тока

Совокупность траекторий частиц жидкости, проходящих через какой-нибудь малый замкнутый контур образуют трубку тока, а множество траекторий частиц жидкости внутри трубки тока - элементарную струйку (рис. 2).

Рисунок 2 - Элементарная струйка

2. Гидравлический удар в трубах

Гидравлическим ударом называется резкое повышение или понижение давления в трубопроводе, вызванное быстрым изменением скорости движения жидкости.

Рисунок 3

Сущность гидравлического удара заключается в следующем: предположим, что имеется прямолинейный трубопровод длиной L, присоединенный к напорному бассейну больших размеров (резервуару) и на конце снабженный задвижкой (рис. 3). При быстром закрытии задвижки вся масса жидкости, движущаяся в трубе со скоростью vo, должна внезапно остановится. В результате резкого изменения скорости кинетическая энергия этой массы преобразуется в энергию давления, которая у задвижки может иметь весьма значительную величину (p).

Так как жидкость и материал трубы обладают определенной упругостью, то повышение давления приведет к сжатию жидкости, увеличению ее плотности и расширению стенок трубы - вздутию до некоторого диаметра d1 > d. Это повышение давления бывает настолько большим, что вызывает разрыв трубопровода.

Явление гидравлического удара возникает при быстром закрытии или открытии задвижки, а также при внезапной остановке насоса (при отключении энергии). Различают положительный и отрицательный гидравлический удар.

Положительный гидравлический удар возникает перед задвижкой и начинается с повышения давления. Примеры: трубопроводы, питаемые насосами; трубопроводы, питаемые из напорного бака.

Отрицательный гидравлический удар возникает позади перекрывающего устройства и начинается с понижения давления (разрежения).

Теория гидравлического удара была впервые разработана в 1898 г. проф. Н.Е.Жуковским на основе анализа работы Алексеевской водокачки Московского водопровода. Н.Е.Жуковский впервые показал, что понять явление гидравлического удара можно только при учете упругости жидкости и стенок трубы.

Рисунок 4

Рассмотрим процесс изменения давления в жидкости при перекрытии трубопровода (рис. 4). При быстром (мгновенном) закрытии задвижки мгновенно останавливается часть жидкости, непосредственно прилегающая к задвижке. Пли этом давление в этом слое жидкости увеличивается на величину p за счет превращения кинетической энергии движения массы жидкости, заключенной в трубе, в потенциальную энергию давления. (t = 0, точка 1 - возникновение удара).

Остановка жидкости и повышение давления в трубопроводе происходят постепенно, от слоя к слою; за первым слоем останавливается второй, и давление в нем также возрастает до p+p. Далее поочерёдно останавливаются и сжимаются все слои, вплоть до последнего в точке А (рис. 3). Т.о. по трубопроводу длиной L пробегает полуволна повышения давления. Если трубопровод и жидкость по длине однородны, то скорость распространения ударной волны будет постоянна, обозначим ее c. Через время t = L/c, за которое ударная волна достигает начала трубы, вся жидкость в трубе остановится (точка 2). Жидкость в трубопроводе находится в сжатом состоянии. В точке А слева сохраняется давление р, справа - p + p. Подобно сжатой пружине, свободной с одного конца, жидкость начинает перемещаться в сторону емкости, приобретая при этом и скорость движения в том же направлении. Благодаря этому начинается спад давления, который будет распространяться уже от резервуара в сторону задвижки. Одновременно со спадом приходит в движение жидкость в трубопроводе со скоростью, направленной в сторону, противоположную начальной. Возникает вторая волна - волна понижения давления. Эта волна перемещается в направлении задвижки с той же скоростью c и гасит давление, созданное первой ударной волной.

Время t = 2L/c, когда волна понижения давления достигает закрытой задвижки, называется фазой удара. Вся масса жидкости будет иметь давление р и двигаться влево с начальной скоростью (в сторону резервуара).

Вследствие инерции жидкость в трубопроводе в дальнейшем будет стремиться оторваться от задвижки, приводя к понижению давления до величины p - p1 (точка 3). Разжавшись, слой жидкости у задвижки остановится, после чего произойдет падение давления и остановка смежного слоя, т.е. влево пойдет третья полуволна понижения давления и остановки жидкого столба. Когда волна снижения достигнет резервуара, в момент t = 3L/c (точка 4) вся жидкость в трубе будет неподвижна и иметь пониженное давление p - p.

В этом состоянии жидкость не может оставаться в покое, т.к. давление в резервуаре больше, чем давление в трубопроводе. Вследствие упругости жидкость начнет перемещаться, но теперь от открытого конца в сторону задвижки. При этом в трубопроводе начнется процесс восстановления начального давления и начальной скорости - четвертая полуволна (восстановления начальной скорости и начального давления). Когда она ко времени t = 4L/c достигнет задвижки, во всем трубопроводе будут восстановлены и начальная скорость и начальное давление (точка 5).

Рисунок 5

Но так как задвижка продолжает оставаться закрытой, жидкость продолжать свое движение не может и у задвижки вновь возникнет удар. На этом первый цикл заканчивается и начинается второй, который при отсутствии энергетических потерь будет повторять первый (точка 6 и т.д.).

В реальных трубопроводах за счет потерь энергии в последующих фазах давление значительно снижается (рис. 5).

3. Характеристики трубопроводов при их последовательном и параллельном соединении

Последовательное соединение. Возьмем несколько труб различной длины, разного диаметра и содержащих разные местные сопротивления, и соединим их последовательно (рис. 6а).

Рисунок 6 - Последовательное соединение трубопроводов

При подаче жидкости по такому составному трубопроводу от точки М к точке N расход жидкости Q во всех последовательно соединенных трубах 1, 2 и 3 будет одинаков, а полная потеря напора между точками М и N равна сумме потерь напора во всех последовательно соединенных трубах. Таким образом, для последовательного соединения имеем следующие основные уравнения:

,

,

Эти уравнения определяют правила построения характеристик последовательного соединения труб (рис. 6б). Если известны характеристики каждого трубопровода, то по ним можно построить характеристику всего последовательного соединения M-N. Для этого нужно сложить ординаты всех трех кривых.

Параллельное соединение. Такое соединение показано на рис. 7а. Трубопроводы 1, 2 и 3 расположены горизонтально.

Рисунок 7 - Параллельное соединение трубопроводов

Обозначим полные напоры в точках М и N соответственно HM и HN , расход в основной магистрали (т.е. до разветвления и после слияния) - через Q, а в параллельных трубопроводах через Q1, Q2 и Q3; суммарные потери в этих трубопроводах через У1 , У2 и У3.

Очевидно, что расход жидкости в основной магистрали

,

Выразим потери напора в каждом из трубопроводов через полные напоры в точках М и N: труба насос компрессор колесо

,

,

,

Отсюда делаем вывод, что т.е. потери напора в параллельных трубопроводах равны между собой. Их можно выразить в общем виде через соответствующие расходы следующим образом

,

,

,

где К - сопротивление трубопровода;

m - показатель степени, который имеет разные значения в зависимости от режима течения (lля ламинарного течения: m = 1; турбулентного m = 2)

4. Конструкции и принцип действия центробежных насосов и компрессоров, их характеристики и принцип построения лопатки рабочего колеса

Центробежные машины имеют ряд существенных преимуществ перед поршневыми. У центробежных машин отсутствуют быстро изнашивающиеся части - поршни, клапаны и т. д. Они не требуют внутренней смазки и поэтому не загрязняют сжатый воздух или газ, что очень важно в пищевых производствах. Благодаря большой частоте вращения роторов центробежных компрессоров их можно непосредственно соединять с электродвигателями или паровыми турбинами.

Центробежные насосы классифицируют по:

1) числу колес (одноколесные многоколесные); кроме того, одноколесные насосы выполняют с консольным расположением вала - консольные;

2) напору (низкого напора до 2 кгс/см2 (0,2 МН/м2), среднего напора от 2 до 6 кгс/см2 (от 0,2 до 0,6 МН/м2), высокого напора больше 6 кгс/см2 (0,6 МН/м2));

3) способу подвода воды к рабочему колесу (с односторонним входом воды на рабочее колесо, с двусторонним входом воды (двойного всасывания));

4) расположению вала (горизонтальные, вертикальные);

5) способу разъема корпуса (с горизонтальным разъемом корпуса, с вертикальным разъемом корпуса);

6) способу отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса (спиральные и турбинные). В спиральных насосах жидкость отводится непосредственно в спиральный канал; в турбинных жидкость, прежде чем попасть в спиральный канал, проходит через специальное устройство - направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками);

7) степени быстроходности рабочего колеса (тихоходные, нормальные, быстроходные);

8) роду перекачиваемой жидкости (водопроводные, канализационные, кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и др.);

9) способу соединения с двигателем (приводные (с редуктором или со шкивом), непосредственного соединения с электродвигателем с помощью муфт). Насосы со шкивным приводом встречаются в настоящее время редко.

Основными частями центробежного насоса (рис. 8) являются: корпус 6 насоса со всасывающим 1 и нагнетательным 3 патрубками. Внутри корпуса имеется рабочее колесо 4, жестко посаженное на вал 2. В корпусе вокруг рабочего колеса смонтирован направляющий аппарат 5.

Рисунок 8 - Центробежный насос

Корпус насоса с патрубками служит для подхода жидкости к рабочему колесу и для отвода жидкости после воздействия на нее рабочего колеса в нагнетательный трубопровод. При вращении рабочее колесо своими лопастями непосредственно воздействует на жидкость, а также создает внутри насоса поле центробежных сил за счет энергии двигателя.

Обычно рабочее колесо центробежного насоса (рис. 9) представляет собой два диска: один плоский со втулкой, а второй имеет вид широкого кольца 2. Между дисками смонтированы лопасти 3 рабочего колеса, образующие расширяющиеся каналы. В центральной части колеса имеется втулка 4, при помощи которой оно монтируется на валу, Все перечисленные элементы рабочего колеса изготовляются в виде единой отливки либо при помощи сварки.

Рисунок 9 - Рабочее колесо

Принцип работы центробежного насоса состоит в следующем. При пуске корпус насоса должен быть заполнен капельной жидкостью. При быстром вращении рабочего колеса его лопасти оказывают непосредственное силовое воздействие на частицы жидкости. Кроме того, создается поле центробежных сил в жидкости, находящейся в межлопастном пространстве рабочего колеса. Таким образом, жидкость, подвергаясь силовому воздействию лопастей рабочего колеса, с большой скоростью перемещается от центра к периферии, освобождая межлопастные каналы рабочего колеса. Поэтому в центральной части рабочего колеса давление снижается и под действием внешнего, чаще всего атмосферного давления, жидкость входит во всасывающий патрубок и вновь подводится к центральной части рабочего колеса. Жидкость, выходящая из каналов рабочего колеса по его выходному диаметру, попадает в межлопастное пространство неподвижного направляющего аппарата.

В направляющем аппарате жидкость, имеющая большую скорость, как бы тормозится и ее кинетическая энергия частично преобразуется в потенциальную энергию давления в благоприятных условиях течения через плавно изменяющиеся каналы. Если направляющий аппарат отсутствует, то преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления происходит в спиральном корпусе насоса в условиях менее благоприятных.

Спиральная форма корпуса насоса и эксцентричное расположение в нем рабочего колеса обусловлены следующим. В корпусе насоса по направлению вращения рабочего колеса собирается все больший объем жидкости, выходящей из межлопастных каналов. Вся эта жидкость направляется к нагнетательному патрубку и отводится в нагнетательный трубопровод. Спиральная форма обеспечивает увеличение внутреннего объема корпуса насоса, примерно пропорциональное количеству жидкости, направляющейся к нагнетательному патрубку. Поэтому скорость жидкости, проходящей через корпус насоса, во всех сечениях примерно одинакова.

Очень часто нагнетательный патрубок насоса имеет вид диффузора. В этом случае преобразование кинетической энергии в потенциальную продолжается и при движении жидкости через нагнетательный патрубок. В принципе, при отсутствии специального направляющего аппарата, преобразование кинетической энергии, приобретенной жидкостью в рабочем колесе центробежного насоса, должно происходить именно в этом диффузоре. Центробежные компрессоры (турбокомпрессоры) конструктивно и по принципу действия сходны с многоступенчатыми центробежными насосами. Отличие заключается в том, что рабочим телом является сжимаемый газ и поэтому имеют место тепловые процессы. Использование центробежных компрессоров наиболее целесообразно при подаче больших количеств воздуха (не менее 50 м3/мин) при сравнительно невысоком давлении (0,7-0,8 МПа).

Решение:

При перекрытом кране трубопровода К определить абсолютное давление в резервуаре, закрытом на глубине H = 5 м, если показание вакуумметра, установленного на высоте h = 1,7 м, равно рвак = 0,02 МПа. Атмосферное давление соответствует hа = 740 мм рт. ст. Плотность бензина .

Основное уравнение гидростатики:

Манометрическое давление

Ответ: 0,125 МПа

Список используемых источников

1. Башта, Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Учебник для вузов / Т.М. Башта - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с.

2. Корсаков, С.М. Учебно-методический комплекс по дисциплине Гидравлика и гидропривод / С.М. Корсаков - Н.Новгород: МИИТ, 2011. - 172 с.

3. Свешников, В.К. Гидрооборудование. Книга 1. Насосы и гидродвигатели: номенклатура, параметры, размеры, взаимозаменяемость / В.К. Свешников - Издательский центр «Техинформ» МАИ, 2001. - 360 с.

4. Финкельштейн, З.Л. Гидравлика и гидропривод. Учебное пособие / З.Л. Финкельштейн, Н.Ф. Брожко - Алчевск: ДонГТУ, 2008. -198 с.

Размещено на Allbest.ru