Лабораторные работы гидромеханика. Методические указания. 2020 sunspire
 Скачать 5.64 Mb.
|
|
2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 53 Рисунок 9.1 – Внешний вид симуляционной лабораторной установки Рисунок 9.2 – Размеры (см) стеклянной трубки переменного сечения с сужением (a) и расширением (б) посередине Вначале работы необходимо выбрать тип стеклянного участка трубопровода. В лабораторной работе доступны два типа стеклянной трубки с сужением и расширением потока (риса) и с расширением и дальнейшем сужением в средней части по длине (рис. б. l=20 l=15 l=15 l=15 l=15 l=20 l=20 l=15 l=15 l=15 l=15 l=20 d=2,8 d=1,9 d=2,8 d=1,9 4 6 9 2 1 3 5 7 8 Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 54 По умолчанию при запуске программы установлен тип трубки с сужением в средней части (рис. 9.3). Изменять тип трубопровода можно только при отсутствии воды в установке. Рисунок 9.3 – Выбор типа стеклянной трубки ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Основные положения по уравнению Д. Бернулли и его использованию в гидравлических расчетах изложены в виртуальной лабораторной работе №3 Определение опытным путем слагаемых уравнения Д. Бернулли при установившемся неравномерном движении жидкости. В данной работе предлагается обратить внимание на поведение напорной и пьезометрической линий при движении потока по трубе с плавно изменяющимися сечениями. Известно, что в вязкой жидкости полная удельная энергия по течению постоянно уменьшается из-за потерь на преодоление сопротивлений (напорная линия постоянно понижается. Потенциальная энергия может как увеличиваться, таки понижаться в зависимости от изменения кинетической энергии (при изменении сечения потока. Особенно это видно, когда рассматриваются в сравнении сужение и расширение потока (рис. 9.4 и 9.5). Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 55 Рисунок 9.4 – Диаграмма Бернулли для трубки с сужением посередине Рисунок 9.5 – Диаграмма Бернулли для трубки с расширением посередине Напорная линия Пьезометрическая линия Трубопровод П ока за ни я пьезометров скоростных трубок, см Длина, см Напорная линия Пьезометрическая линия Трубопровод П ока за ни я пьезометров скоростных трубок, см Длина, см Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 56 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Цели лабораторной работы 1. Определить гидродинамический и пьезометрический напоры в выбранных сечениях потока (семь сечений. 2. Определить потери напора и среднюю скорость движения между сечениями потока. 3. Построить напорную и пьезометрическую линии, проанализировать изменения удельной энергии. Порядок действий и обработка экспериментальных данных 1. Перед запуском установки выбрать тип стеклянного участка трубопровода. 2. Записать в лабораторный журнал площади живых сечений и расстояния между сечениями, указанные на схеме установки. 3. При закрытом кране изменения расхода воды открыть кран подачи воды для заполнения напорного бака и трубопровода переменного сечения водой. При этом следует обратить внимание на уровни воды в пьезометрических и скоростных трубках. Эти уровни при отсутствии воздуха в системе должны быть на одной отметке. 4. Открыть кран изменения расхода воды (от 5 до 100% по указанию преподавателя. 5. Измерить с помощью мерного бака и секундомера расход воды. 6. Определить по шкалам отметки уровней воды в пьезометрах и скоростных трубках всеми сечениях. Результаты всех измерений записать в табл. 1. 7. Выполнить все вычисления, предусмотренные табл. 1. 8. Построить в масштабе по полученным данным линии полного напора и пьезометрическую линию. 9. Повторить пункты 1–8 для другого типа стеклянного трубопровода. 10. Дать заключения по лабораторной работе. Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 57 Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений п/п Наименования и обозначения измеряемых и вычисляемых величин Ед. изм. Результаты измерений и вычислений 1 Номера сечений I‒I II‒II III‒III IV‒IV V‒V VI‒VI VII‒VII 2 Геометрические высоты центров тяжести сечений z i м 3 Отметки уровней воды в пьезометрах, те. гидростатические напоры z i + p i /ρg м 4 Отметки уровней воды в скоростных трубках, те. полные напоры H i = z i + p i /ρg + U i2 /2g м 5 Пьезометрические высоты h pi =p i /ρg м 6 Скоростные высоты h ui =U i2 /2g м 7 Потери полного напора на пути между соседними живыми сечениями ℎ W i−(i+1) = 𝐻 i − м 8 Суммарные потери полного напора м 9 Расстояние между сечениями l i м 10 Объем воды в мерном баке W м 11 Продолжительность наполнения объема в мерном баке t с 12 Расход воды в трубопроводе Q=W/t мс 13 Диаметр сечениям Площадь сечениям Средняя скорость движения воды υ i = Q/S i мс 16 Скоростная высота, отвечающая средней скорости υ i 2 /2g м 17 Относительное отклонение скоростных высот | 𝑈𝑖 2 2𝑔 − 𝑣𝑖 2 2𝑔 | 𝑈𝑖 2 2𝑔 · 100 % 18 Координата сечений по длине трубопроводам Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 58 Виртуальная лабораторная работа из курса гидромеханики Параметрические испытания центробежного насоса ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Симуляционная модель лабораторной установки (рисунок 10.1) включает центробежный насос (1) с электродвигателем (2), всасывающий трубопровод (3) с обратным клапаном, напорный трубопровод (4) с вентилем (5) изменения расхода, пульт включения электропитания (6), и контрольно-измерительная аппаратура весы (7), манометр (8), вакуумметр (9), дифференциальный манометр (10) и тахометр (11). Рисунок 10.1 – Внешний вид симуляционной лабораторной установки Контрольно-измерительная аппаратура служит для замера подачи диафрагма и ртутный дифференциальный манометр, давления на выходе из 4 3 6 2 1 11 7 10 - 5 8 9 Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 59 насоса (манометр, вакуума на входе в насос (вакуумметр, крутящего момента навалу насоса (балансирный электродвигатель с рычагом и весами) и частоты вращения вала электродвигателя (тахометр. Для заливки водой насоса и всасывающего трубопровода на действующей физической модели, последний соединяется с вакуумным насосом, который создает необходимый вакуум во всасывающем трубопроводе перед пуском насоса. Под разностью давлений на свободной поверхности воды в приемном резервуаре и во всасывающем трубопроводе открывается клапан, и вода заполняет трубопровод и насос. ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Параметрические испытания проводятся с целью определения технических показателей (параметров) и характеристик насосов. Работа насоса характеризуется следующими основными техническими показателями подачей, напором, мощностью, коэффициентом полезного действия КПД, частотой вращения и допускаемым кавитационным запасом. 1. Подача насоса Q ‒ объем жидкости, перекачиваемый насосом в единицу времени (мс, л/с, м 3 /ч). Массовая подача насоса G ‒ масса жидкости, перекачиваемая насосом в единицу времени (кг/с, кг/ч). Массовая подача через плотность жидкости ρ [кг/м 3 ] связана с объемной зависимостью Q G (1) Идеальная (теоретическая) подача насоса Q t ‒ сумма подачи насоса Q и объемных потерь Δ Q Q Q Q t , (2) Объемные потери возникают в результате перетекания (утечек) жидкости под действием перепада давления из напорной полости во всасывающую и изменяются при прочих равных условиях практически прямо пропорционально перепаду давления Δ p: p Q , (3) где α ‒ коэффициент пропорциональности. 2. Напор насоса H ‒ приращение полной удельной энергии жидкости, проходящей через насос (м. Для работающего насоса напор можно определить по показаниям манометра и вакуумметра g z g p p H S P M V M 2 2 2 , (4) где p M и р ‒ показания манометра и вакуумметра, расположенных, соответственно, на напорном и всасывающем патрубках насоса, Па z M ‒ превышение оси вращения стрелки манометра над точкой подключения вакуумметрами средние Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 60 скорости движения жидкости в напорном и всасывающем трубопроводах, соответственном с. Знак минус в формуле (4) перед p V ставится в том случае, когда на входе в насос избыточное давление, те. насос работает в подпоре. 3. Мощность насоса N ‒ мощность, потребляемая насосом M N , (5) где M и ω ‒ крутящий момент навалу и угловая скорость вала насоса. Полезная мощность N pump ‒ мощность, сообщаемая насосом перекачиваемой жидкости и определяемая зависимостью Q H g Q p N pump , (6) Мощность насоса N больше полезной мощности N pump на величину потерь энергии, учитываемых КПД. 4. КПД насоса η ‒ отношение полезной мощности и мощности насоса N N / pump , (7) КПД насоса учитывает все виды потерь энергии, связанные с передачей её перекачиваемой жидкости. Потери энергии в насосе складываются из механических, гидравлических и объемных. Механические потери ‒ потери на трение в подшипниках, сальниках, поршня о стенки цилиндра и т. п. Гидравлические потери ‒ потери, связанные с преодолением гидравлических сопротивлений в рабочих органах насоса. Объемные потери ‒ потери, обусловленные утечкой жидкости из напорной полости насоса во всасывающую через зазоры. В связи с этим следует различать механический, гидравлический и объемный КПД. Механический КПД насоса η M ‒ величина, выражающая относительную долю механических потерь энергии в насосе N N N N N t M M , (8) где Δ N M ‒ мощность механических потерь N t ‒ мощность насоса за вычетом мощности механических потерь (теоретическая мощность. Гидравлический КПД насоса η H ‒ отношение полезной мощности насоса к сумме полезной мощности и мощности, затраченной на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе H H H H H H H H p p p Q p pQ pQ N N N pump pump , (9) где Δ N H ‒ мощность, необходимая на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе Δ p H , Δ H H ‒ потери давления или напора на преодоление гидравлических сопротивлении в рабочих органах насоса. Объемный КПД насоса η V ‒ отношение полезной мощности насоса к сумме полезной мощности и мощности, потерянной с утечками Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 61 t Q Q Q Q Q Q p pQ pQ N N N outflow pump pump V , (10) где Δ N outflow ‒ мощность, необходимая на утечки. Связь КПД насоса с другими частными КПД можно представить в виде 0 H M H M t pump t pump Q Q p p pQ N N N N N N , (11) 5. Допускаемый кавитационный запас Δ h perm ‒ кавитационный запас, обеспечивающий работу насоса без изменения основных технических показателей без кавитации. Для правильной эксплуатации насосов и их подбора необходимо знать, как изменяются основные технические показатели насоса (Н, N, η, Δh perm ) при изменении его подачи Q, те. знать его характеристику. Рисунок 10.2 – Характеристика насоса К (К) Характеристика центробежного насоса ‒ графическая зависимость напора Н, мощности N, КПД η и допускаемого кавитационного запаса Δh perm (или допускаемого вакуума) от подачи Q при постоянных значениях частоты вращения рабочего колеса, вязкости и плотности жидкости на входе в насос. Она включает три характеристики напорную H=f(Q), энергетическую (две кривых) ‒ N=f(Q); η=f(Q) и кавитационную ‒ Δ h perm = f(Q). Характеристики получают в результате параметрических испытаний n=2900 об/мин H N D 2 =272 мм D 2 =250 мм h perm h perm H, м Q, л/с Q, м 3 /ч 8 6 4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 0 20 40 60 80 100 120 , % N, кВт 0 20 40 60 80 100 80 60 40 20 0 40 20 0 Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 62 насосов на заводах-изготовителях и помещают в каталогах. На рисунке 10.2 приведены характеристики насоса К (К) при n=2900 об/мин для рабочего колеса с диаметрами D 2 =272 мм и D 2 =250 мм (обточенного. Для последнего кривые показаны пунктиром. На напорных характеристиках волнистыми линиями показана рекомендуемая область применения насоса по подаче и напору (поле насоса Н, получаемая изменением частоты вращения или обточкой рабочего колеса по внешнему диаметру. В пределах поля насоса КПД имеет максимальное значение, или меньше его не более, чем на 10%. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Цели лабораторной работы 1. Изучить работу насосной установки с центробежным насосом. 2. Освоить методику параметрических испытаний центробежного насоса. 3. Получить характеристику центробежного насоса. Порядок действий и обработка экспериментальных данных 1. При закрытом вентиле изменения расхода залить водой всасывающий трубопровод и насоса затем включить насос с пульта включения электропитания. 2. При закрытом вентиле изменения расхода, когда ( Q=0) снять показания дифференциального манометра, вакуумметра, манометра, весов и тахометра. 3. Создать не менее восьми различных режимов работы насоса с помощью вентиля изменения расхода, обеспечивая различную подачу вплоть до Q max . При каждом режиме снимать показания приборов, перечисленных в п. 2. Результаты замеров записать в табл. 2. 4. Вычислить параметры, необходимые для построения напорной и энергетической характеристик ‒ подачу насоса Q exp [л/с], по формуле h C Q exp , (где С ‒ постоянная диафрагмы (С h ‒ перепад давлений по дифманометру, мм. рт. ст полученную подачу насоса Q exp , л/с, перевести в Q exp , мс ‒ средние скорости движения жидкости υ S и υ P во всасывающем и напорном трубопроводах, мс 2 S exp S 4 d Q , (13) 2 P exp P 4 d Q , (14) Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 63 где Q exp – подача насосам си диаметры, соответственно, всасывающего и напорного трубопроводов, м (выбираются в зависимости от типа применяемого насоса ‒ табл. 1); ‒ напор насоса Нм по формуле (4), полагая, что z M = 0.34 m; ‒ мощность насоса N exp , Вт, ‒ по формуле 30 exp 0 exp n L F F M N , где М ‒ крутящий момент навалу насоса, Нм ω ‒ угловая скорость вала насоса, рад/с; F ‒ показания весов, Н F 0 ‒ показания весов при отключенном насосе, Н ( F 0 =0); L ‒ длина плеча рычагам м n exp ‒ частота вращения вала насоса, об/мин. Поскольку при каждом режиме работы частота оп может отличаться от номинальной n nom ( n nom =2900 об/мин), подачу Q exp , л/с, напор Ни мощность N exp необходимо привести к величине n nom по формулам подобия exp nom exp n n Q Q , (16) 2 exp nom exp n n H H , (17) 3 exp nom exp n n N N , (18) после чего значения Q, л/с перевести в Q, мс. Полезную мощность N pump , Вт и КПД насоса η вычислить по формулами, подставляя в формулу (6) значения Q, мс. Результаты вычислений записать в табл. 2. 5. Поданным табл. 2 построить графические зависимости H=f(Q), N=f(Q), η=f(Q), принимая для этого значения Q в л/с. 6. Дать заключения по лабораторной работе. Таблица 1 – Диаметры всасывающего и напорного трубопроводов в лабораторной установке Модель насоса Диаметр всасывающего трубопроводам Диаметр напорного трубопроводам К 18/8 (К 6) 0.05 0.032 К 20/20 (К 6) 0.065 0.05 К 20/18 (К 9) К 45/55 (К 6) 0.08 К 45/30 (К 9) 0.065 К (К 6) 0.1 Виртуальная лаборатория гидромеханики |