экзамен. Контрольная работа (1). Контрольная работа по дисциплине Гидрогазодинамика Модуль 1 Гидромеханика

• Название: Контрольная работа по дисциплине Гидрогазодинамика Модуль 1 Гидромеханика
• Анкор: экзамен
• Дата: 27.01.2023
• Размер: 0.54 Mb.
• Имя файла: Контрольная работа (1).doc
• Тип: Контрольная работа; #908076
• страница: 1 из 2

Контрольная работа

по дисциплине «Гидрогазодинамика»
Модуль 1 «Гидромеханика»
«Определение рабочего режима лопастного насоса»

Лопастные насосы (центробежные насосы) относятся к группе динамических насосов. Эта группа насосов является самой многочисленной из всех. Они обладают большой универсальностью, могут быть в разных исполнениях, более надежны в эксплуатации, обладают равномерной подачей и т.д. В них достаточно просто осуществляется регулирование производительности. В центробежных насосах всасывание и нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса с лопатками, заключенного в улиткообразном корпусе.

В ходе выполнения данной задачи предлагается определить параметры рабочего режима лопастного насоса: расход и напор насоса; мощность, потребляемую насосом в рабочем режиме; допустимую геометрическую высоту всасывания H_{Г ВС ДОП}. Определить, как изменится рабочий режим насоса: если изменить скорость вращения рабочего колеса насоса; если произвести одновременное параллельное или последовательное включении двух одинаковых насосов.
Исходные данные:

Имеется насосная установка, перекачивающая воду с температурой tиз некоего резервуара на высоту Н. Трубопроводная сеть состоит из трех участков, включенных последовательно (рисунок 1).

Участок 1 - всасывающая линия сети, а участки 2 и 3 относятся к нагнетательной линии. Каждый участок имеет известный диаметр d, длину l и сумму коэффициентов местных сопротивлений ζ, (параметры, относящиеся к каждому участку, обозначаются соответственно индексами 1, 2 и 3).



Рисунок 1- Насосная установка
Определить:

1. 
   рабочий режим системы:
   

• 
  расход и напор насоса;
  
• 
  мощность, потребляемую насосом в рабочем режиме;
  
• 
  допустимую геометрическую высоту всасывания H_{Г ВС ДОП};
  

2. 
   как изменится рабочий режим насоса, если скорость вращения рабочего колеса насоса уменьшится* (увеличится**) на 20%;
   
3. 
   как изменится рабочий режим насоса при одновременном параллельном* (или последовательном**) включении двух одинаковых насосов.
   

Примечание:

* - задание для четных вариантов;

** - задание для нечетных вариантов.

Определяется по последней цифре зачетки.
Данные для решения задачи.

Гидравлические характеристики насоса: расход, напор, значение коэффициента полезного действия (КПД) приведены в таблице 1. Значения расхода и КПД насоса одинаковые для всех вариантов. Исходные данные приведены в таблице 2.
Данные для решения задачи выбираются по таблице 1 (используя предпоследнюю цифру зачетной книжки) и таблице 2 (используя последнюю цифру зачетной книжки).
Физические параметры воды выбираются по таблице 3 в зависимости от заданной температуры. Шероховатость труб на всех участках одинакова, значения эквивалентной шероховатости для различных типов труб приведены в таблице 4. Все расчеты выполняются только в международной системе единиц.
Таблица 1

Гидравлические характеристики насоса

Расход Q, л/с	0	2	4	6	8	10	12	14	16
КПД, η %	0	28	46	60	68	67	59	37	9
Напорные характеристики насоса по вариантам Hнас, м
Вариант 1	22,0	22,4	22,6	22,4	21,5	20,0	18,0	15,0	11,0
Вариант 2	17	21.5	24	25	24	22	18	12	3
Вариант 3	22,0	21,5	20,5	18,0	14,5	11,5	8,0	3,0	0
Вариант 4	26	24	23	22	21	18	13.5	8	2
Вариант 5	27,0	27,5	27,0	26,5	24,5	21,0	17,0	12,0	7,0
Вариант 6	20.5	21,0	20,5	20,0	18,5	17,5	15,5	14,0	11,0
Вариант 7	18,0	20,5	22,0	23,0	22,5	21,0	18,5	15,5	12,0
Вариант 8	19,0	19,5	19,0	18,0	17,0	15,5	14,0	12,0	10,0
Вариант 9	22,0	25,0	26,0	26,5	25,5	23,5	20,5	17,0	13,0

Таблица 2

Исходные данные

Параметр	Номер варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Температура воды t, °C	20	10	30	20	40	30	50	40	10	20
Длина участков l, м: 1 2 3	5 15 65	10 20 10	8 30 20	6 15 30	15 20 15	10 40 20	5 20 30	12 25 15	7 35 20	14 30 40
Диаметры труб на участках d, мм: 1 2 3	80 60 65	100 80 65	100 65 50	80 50 65	120 80 120	100 80 70	100 70 80	150 100 65	100 80 50	125 100 70
Сумма КМС  на участках: 1 2 3	3 8 5	2 10 6	4 12 7	2 15 8	3 10 13	5 12 6	2 13 9	3 8 11	2 10 5	4 13 7
Перепад отметок HГ, м	9	12	7	8	11	10	9	13	14	10
Скорость вращения рабочего колеса n, об/мин	2000	1500	1800	2400	2100	1700	2200	1400	1200	900
Коэффициент кавитационной быстроходности C	600	800	700	630	830	730	650	850	750	680
Характеристика труб	Новая чугунная	Оцинкованная, стальная, новая и чистая	Стальная сварная, умеренно заржавленная	Бесшовная стальная после нескольких лет эксплуатации	Клепаная стальная	Стальная сварная, новая и чистая	Асбоцементная новая	Стальная сварная, сильно заржавленная	Бесшовная стальная, новая, чистая	Стальная сварная, старая заржавленная

Таблица 3

Физические характеристики воды

Температура t,°C	Плотность, ρ, кг/м3'	Кинематическая вяз- кость v · 10-6, м2/с	Давление насыщенных паров Рнп, кПа
0	999,8	1,790	0,611
10	999,6	1.300	1,227
20	998,2	1,000	2,227
30	995,6	0,805	4,241
40	992,2	0,690	7,375
50	988,0	0,556	12,34
60	983,2	0,479	19,92
70	977,7	0,415	31,16
80	971,8	0,366	47,36
90	965,3	0,326	70,11
100	958,3	0,295	101,3

Таблица 4

Значения Δ_Э для различных труб

Вид трубы	Состояние трубы	Значение ΔЭ, мм
		интервал	среднее
1	2	3	4
Тянутая из стекла и цветных металлов	Новая, технически гладкая	0,001-0,01	0,005
Бесшовная сталь	Новая и чистая, тщательно уложенная	0,02-0,05	0,030
	После нескольких лет эксплуатации	0,15-0,3	0,2
Стальная сварная	Новая и чистая	0,03-0,10	0,05
	С незначительной коррози­ей после очистки	0,10-0,20	0,15
	Умеренно заржавленная	0,3-0,7	0,5
	Старая заржавленная	0,80-1,5	1.0
	Сильно заржавленная или с большими отложениями	2,0-4,0	3,0
Клепаная стальная	Клепаная вдоль и поперек по одному ряду заклепок; хорошее состояние поверх­ности	0,3-0,4	-
	С двойной продольной клепкой и простой поперечной клепкой; некоординированная	0,6-0,7	0,65
	С простой поперечной и двойной продольной клепкой; изнутри просмоленная или покрытая лаком	1,20-1,30	-
	С четырьмя-шестью продольными рядами клепки; длительное время находившаяся в эксплуатации	2,0	-
	С четырьмя поперечными и шестью продольными рядами клепки	4,0	-
1	2	3	4
Оцинкованная стальная	Новая и чистая	0,10-0,20	0,15
	После нескольких лет эксплуатации	0,40-0,70	0,50
Чугунная	Асфальтированная	0,12-0,30	0,18
	Новая	0,20-0,50	0,30
	Бывшая в употреблении	0,5-1,5	1,0
	Очень старая	до 3,0	-
Деревянная	Из деревянных клепок, тщательно оструганных	0,10-0,30	0,15 .
	Из обычных деревянных клепок	0,30-1,0	0,50
	Из необструганных досок	1,0-2,5	2,0
Асбоцементная	Новая	0,05-0,10	0,085
	Бывшая в эксплуатации	0,60	-
Бетонная	При хорошей поверхности с затиркой	0,3-0,80	0,50
	При среднем качестве работ	2,5	-
	С грубой (шероховатой) поверхностью	3,0-9,0	-
Рукава и шланги резиновые		0,03

Методические указания по выполнению задачи

1. 
   Задаваясь средним значением расхода Q = 10 л/с и используя уравнение неразрывности потока вычислить значение скорости воды на участках 1, 2, 3:
   

, откуда
,
где Q – заданное значение расхода, м³/с;

ω – площадь живого сечения трубопровода;

d_i – диаметр соответствующего участка трубопровода, м;

υ_срi – средняя скорость на соответствующем участка трубопровода, м/с.

Диаметры участков трубопровода выбрать из таблицы 2 в соответствие со своим вариантом.

2. 
   Вычислить значение критерия Рейнольдса на участках 1, 2, 3 и определить режим течения жидкости.
   

Число Рейнольдса определяется по формуле:
,
где ν – кинематический коэффициент вязкости жидкости м²/с.

Кинематический коэффициент вязкости определяется по таблице 3 исходя из заданной температуры воды, выбираемой из таблицы 2 в соответствие со своим вариантом.

Определить режим течения жидкости из сравнения числа Рейнольдса с критическим значением числа Рейнольдса Re_кр ≈ 2300.

При Re < Re_кррежим течения является ламинарным, а при Re > Re_кррежим течения является турбулентным.

3. 
   Вычислить значение коэффициентов гидравлического трения λ₁, λ₂, λ₃ по определенной формуле в зависимости от режима течения и зоны шероховатости.
   

В области ламинарного режима коэффициент гидравлического трения λ определяется формулой



В области турбулентного режима возможны три случая определения коэффициент гидравлического трения λ:

а) зона гидравлически гладких труб существует в диапазоне 2300 < Re < 20·d/Δ_Э. В этой зоне коэффициент гидравлического трения определяется по формуле Блазиуса:


б) зона гидравлически шероховатых труб существует в диапазоне 20·d/Δ_Э < Re < 500·d/Δ_Э. В этой зоне коэффициент гидравлического трения определяется по формуле Альтшуля:

в) зона абсолютно шероховатых труб существует в диапазоне Re > 500·d/Δ_Э. В этой зоне коэффициент гидравлического трения определяется по формуле Шифринсона:

Значения эквивалентной шероховатости Δ_Э стенок трубопровода для определения зоны шероховатости выбирать из таблицы 4 в зависимости от типа трубы, указанного в таблице 2 в соответствие со своим вариантом.

4. 
   Вычислить значения характеристики сопротивления A для участков 1, 2, 3 по формуле:
   
5. 
   
   

;
где Σ_i – суммарный коэффициент местного сопротивления (КМС) на соответствующем участке;

d_i – диаметр соответствующего участка трубопровода, м;

l_i – длина соответствующего участка трубопровода, м.

g – ускорение свободного падения, м/с².

Суммарный коэффициент местного сопротивления и длины участков трубопровода выбрать из таблицы 2 в соответствие со своим вариантом.

Вычислить суммарный коэффициент сопротивления сети:
А_Σ = А₁+А₂+А₃ .

6. 
   Вычислить затраты напора в сети, используя формулу:
   

_
где Н_Г – перепад отметок, м.

Перепад отметок выбирается из таблицы 2 в соответствие со своим вариантом.

Расход выбирается из таблицы 1.

Результаты расчетов представить в таблице.

Расход Qi, м3/с	0	0,002	0,004	0,006	0,008	0,010	0,012	0,014	0,016
Затраты напора в сети Hiсети, м

7. 
   По результатам вычислений в одной координатной сетке Q-H построить характеристику сети H_iсети(Q) и напорную характеристику насоса H_нас(Q). Напорную характеристику насоса H_нас выбрать из таблицы 1 в соответствие со своим вариантом.
   
8. 
   Используя метод наложения характеристик, определить фактический рабочий режим лопастного насоса. Для этого по графику определить точку пересечения характеристик, а проекции этой точки на координатные оси определяют рабочие параметры насоса:
   

Q_Ф1 = м³/с;

H_Ф1 = м.

ниже для примера приведен рисунок

9. 
   Построить график зависимости КПД от расхода (Q). (ниже приведен рисунок для примера) Для фактического расходаQ_Ф1 определить КПД насоса:  = .
   

10. 
    Используя формулу:
    

где ρ – плотность жидкости кг/м³,

вычислить мощность, потребляемую насосом при рабочих параметрах.

Плотность жидкости определяется по таблице 3 исходя из заданной температуры воды.

11. 
    Вычислить потери напора во всасывающей линии для фактического расхода:
    

,
учитывая _, и 
 _,
где Q = Q_Ф1.

12. 
    Вычислить значение допустимой геометрической высоты всасывания:
    

;
где р_БАР – барометрическое давление, Па;

р_НП – давление насыщенных паров, Па;

n – скорость вращения рабочего колеса, об/с;

C – коэффициент кавитационной быстроходности.

Скорость вращения рабочего колеса и коэффициент кавитационной быстроходности выбрать из таблицы 2 в соответствие со своим вариантом. Давление насыщенных паров выбрать по таблице 3 исходя из заданной температуры воды. Барометрическое давление р_БАР принимается равным 101,3 кПа.

13. 
    Используя формулы подобия произвести пересчет характеристик насоса при увеличении или уменьшении скорости вращения рабочего колеса на 20 %:
    

 ;
 ; ;
где n₁ – исходная скорость вращения рабочего колеса, об/с;

n₂ – скорость вращения рабочего колеса после изменения (увеличения или уменьшения), об/с;

Н_1нас – исходная напорная характеристика насоса, м;

Н_2нас – напорная характеристика насоса после изменения скорости вращения рабочего колеса (увеличения или уменьшения), м;

Q₁ – исходный расход, м³/с;

Q₂ – расход после изменения скорости вращения рабочего колеса (увеличения или уменьшения), м³/с;

Результаты расчета представить в таблице.

Расход Q1, м3/с	0	0,002	0,004	0,006	0,008	0,010	0,012	0,014	0,016
Расход Q2, м3/с
H1нас, м
H2нас, м

14. 
    К ранее построенным характеристикам H_iсети(Q) и H_нас(Q) в той же координатной сетке Q-H построить новую напорную характеристику насоса H_2нас(Q₂).
    

Ниже приведен рисунок для примера.

15. 
    По новой построенной зависимости определить точку пересечения характеристик H_iсети(Q) и H_2нас(Q₂). Проекция этой точки на координатные оси определит новые рабочие параметры насоса при измененной скорости вращения рабочего колеса:
    

Q_Ф2 = м³/с;

H_Ф2 = м.

Сравнить новые рабочие параметры насоса с первоначальными. Сделать вывод.

15. Произвести перерасчет характеристик насоса при последовательном или параллельном включении двух одинаковых насосов. Обозначим характеристики (Н и Q) для первого насоса H_1нас и Q₁, а для второго – H_2нас и Q₂. Так как насосы одинаковые, то числовые значения их характеристик совпадают. Значения H_1нас и Q₁ выбрать из таблицы 1.

Для перерасчета характеристик насоса при последовательном или параллельном включении двух одинаковых насосов использовать соотношения:

- при последовательном включении двух одинаковых насосов, напорные характеристики суммируются, а расход не изменяется, т.е.:
H_1нас + H_2нас = 2 H_1нас= H_1-2нас (т.к. H_1нас = H_2нас);

Q₁ = Q₂ = Q_1-2.
- при параллельном включении двух одинаковых насосов, напорные характеристики не изменяются, а расход суммируется, т.е.:

H_1нас = H_2нас = H_1-2нас;

Q₁ + Q₂ = 2 Q₁ =Q_1-2 (т.к. Q₁ = Q₂).
Результаты расчета представить в таблице.

H1нас, м
H1-2нас, м
Q1, м3/с	0	0,002	0,004	0,006	0,008	0,010	0,012	0,014	0,016
Q1-2, м3/с

16. К ранее построенным характеристикам H_iсети(Q), H_нас(Q) и H_2нас(Q₂) в той же координатной сетке Q-H построить новую напорную характеристику насоса H_1-2нас(Q_1-2).

Ниже для примера приведен график с двумя последовательно соединенным насосами.



17. По новой построенной зависимости определить точку пересечения характеристик H_iсети(Q) и H_1-2нас(Q_1-2). Проекция этой точки на координатные оси определит новые рабочие параметры насоса при последовательном или параллельном включении двух одинаковых насосов:

Q_Ф3 = м³/с;

H_Ф3 = м.

Сравнить новые рабочие параметры насоса с первоначальными. Сделать вывод.

18. Проанализировать полученные данные и сформулировать выводы.
Выводы:

1. 
   рабочий режим системы (расход и напор насоса):
   

Q_Ф1 =

H_Ф1 =

2. 
   мощность, потребляемая насосом в рабочем режиме N = кВт.
   
3. 
   допустимая геометрическая высота всасывания H_{Г ВС ДОП} = м.
   

4. 
   при увеличении (уменьшении) скорости вращения рабочего колеса на 20 % расход насоса ….., напор …. по сравнению с исходными характеристиками.
   

5. 
   при одновременном последовательном (параллельном) включении двух одинаковых насосов расход насоса …., напор … по сравнению с исходными характеристиками.
   

Модуль 2 «Газодинамика»
« Газодинамический расчёт сопла Лаваля»
Сопло Лаваля имеет широкое применение, являясь составной частью реактивных двигателей, сопловых аппаратов некоторых турбин, сверхзвуковых аэродинамических труб и т.д. Сопло Лаваля, преобразует потенциальную энергию потока газа в кинетическую.
Исходные данные:

Имеется сопло Лаваля (рисунок 1), имеющее конфузорную и диффузорную части с заданными углами раствора дозвуковой и сверхзвуковой частей. Заданы входные параметры газ и тип газа.