конспект механика жидкости и газа. Конспект+лекций. Курс лекций по опд гидравлика тема Предмет и методология гидравлики Курс "Гидравлика" включает в себя несколько самостоятельных дисциплин, которые объединяет такое понятие, как гидравлические и пневматические системы.
 Скачать 1.15 Mb.
|
|
) 1 , 0 ( 75 , 0 13 , 0 5 , 2 − − − = n R n Эти расчетные зависимости справедливы для квадратичной области турбулентного движения. Значения коэффициента шероховатости n связывают характер граничной поверхности и состояние русла с потерями напора при движении жидкости. Числовые значения n для искусственных сооружений приведены в табл. 6. Таблица Значения коэффициентов шероховатости п Характер поверхности n для состояния поверхности русла обычного плохого Штукатурка цементным раствором строганные доски металлические лотки 0,013 0,015 Нестроганные доски 0,014 0,015 Кирпичная кладка на цементном растворе и облицовка из тесаного камня 0,015 0,017 Бетонированные каналы бетонная облицовка доски с планками 0,017 0,02 Земляные каналы правильной формы тоже, в лессах 0,02 0,025 Бутовая кладка на цементном растворе 0,025 0,03 Извилистые каналы с медленным течением каналы в гравии с песком 0,027 0,03 Земляные каналы, вырытые землечерпалками каналы в лёссах, засоренные и заросшие каналы в галечниках 0,03 0,033 Чистые, высеченные в скале каналы правильной формы каналы с земляным дном и откосами из каменной кладки 0,033 0,035 Габионная кладка 0,035 0,035 Каналы в очень плохом состоянии 0,04 — Шероховатость естественных русел зависит от многих факторов собственно шероховатости русла, резкого изменения формы поперечных сечений, наличия в русле и на пойме промоин, растительности, отложений наносов и т. д. Наблюдения показывают, что шероховатость изменяется не только по длине русла, но и на одном коротком участке русла при изменении уровня воды. Особенно резкое изменение шероховатости отмечается на участках русла с сильно развитой поймой, редко заливаемой водой – при разливе воды по пойме шероховатость резко возрастает. Поэтому при проектировании ответственных сооружений коэффициенты шероховатости естественного русла, как правило, определяют для отдельных его частей с помощью натурных наблюдений. Если на данном участке реки проводились натурные наблюдения, соответствующие различным расходам, то для каждого из расходов можно вычислить свой коэффициент шероховатости, который будет отвечать определенному уровню воды и состоянию работающего пойменного участка. При высоких уровнях не всегда удается организовать натурные наблюдения, ив этих случаях к выбору коэффициента шероховатости надо подходить весьма осторожно. Следует учитывать, что коэффициент шероховатости с повышением уровня уменьшается до определенных размеров, а затем, когда вода разливается по поймами они включаются в живое сечение водотока, резко увеличивается. Значения коэффициентов шероховатости для открытых русел приведены в табл. 7 и табл. Таблица Значения коэффициентов шероховатости для равнинных рек по Б. В. Полякову Категория Характеристика русла n I Песчаное, ровное, без растительности с незначительным влечением донных наносов 0,02…0,023 II Песчаное, извилистое, с большим перемещением донных наносов пойма, покрытая лугом без кустарника 0,023…0,033 III Пойма, покрытая кустарником или редким лесом 0,033…0,045 IV Пойма, покрытая лесом 0,045…0,06 При отсутствии натурных наблюдений (гидрометрических данных) для выбора коэффициентов шероховатости можно воспользоваться методом аналогов, подыскивая водотоки, сходные по условиям протекания сданной рекой. Таблица Значения коэффициентов шероховатости п для естественных русел по М. Ф. Срибному Категория Характеристика русла n I Естественные русла в весьма благоприятных условиях по засорению 0,025 II Русло постоянного водотока равнинного типа (преимущественно больших и средних рек) при благоприятных состояниях ложа и течения воды. 0,033 III Сравнительно чистые русла постоянных равнинных водотоков в обычных условиях, извилистые с некоторыми неправильностями в направлении струй или же прямые, нос неправильностями в рельефе дна (отмели, промоины, отложения камня. 0,04 IV Русла больших и средних рек, значительно засоренные, извилистые и частично заросшие, каменистые с неспокойным течением. 0,05 V Русла периодических водотоков, сильно засоренные и извилистые. Сравнительно заросшие, неровные, плохо разработанные поймы рек промоины, кустарники, деревья, наличие заводей 0,067 VI Реки и поймы, весьма значительно заросшие, со слабым течением, с большими глубокими промоинами. 0,08 VII Русла сложенные крупными валунами, с извилистым строением ложа. Перекаты ярко выраженные. 0,1 VIII Реки болотного типа (заросли, кочки, во многих местах почти стоячая вода и пр. 0,133 IX Потоки типа селевых, состоящие из грязи, камня и пр. Глухие поймы сплошь залесенные, таежного типа) 0,2 Тема 7. Гидродинамические машины К динамическим (лопастным) машинам относятся лопастные насосы центробежные и осевые) и лопастные гидродвигатели (гидротурбины. В принципе, турбина и лопастной насос являются обратимыми машинами и могут работать в обоих режимах. Мы остановимся только на центробежных лопастных насосах, наиболее часто используемых в водопроводных системах перекачки жидкостей. Принцип действия лопастных насосов. Конструкции лопастных насосов весьма разнообразны, но всем им присущи следующие основные элементы (рис. 59 ): подвод, рабочее колесо, отвод, диффузор, язык. Рис. 59. Основные элементы центробежного насоса Подвод обеспечивает подачу жидкости к рабочему колесу с минимальными потерями механической энергии и равномерным полем скоростей. При помощи рабочего колеса передается энергия от приводного двигателя к жидкости. Отводи диффузор предназначены для сбора сбегающей с рабочего колеса жидкости, преобразования большей части ее кинетической энергии в потенциальную энергию давления и направления жидкости в напорный трубопровод. Принцип действия такого насоса состоит в следующем. Приводной двигатель приводит в движение рабочее колесо насоса, которое при помощи лопастей сообщает вращательное движение частицам жидкости. Под действием центробежных сил жидкость перемещается от центра рабочего колеса к периферии. В результате, на входе в насос создается разряжение, за счет которого и происходит всасывание жидкости через подвод. При выходе из рабочего колеса жидкость попадает в диффузор. В диффузоре скорость частиц жидкости уменьшается и кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию давления. Кинематика движения частиц жидкости в рабочем колесе насоса сложная (рис. Абсолютная скорость частицы жидкости V складывается из переносной и относительной w. Переносная скорость обусловлена вращением рабочего колеса и ее вектор направлен перпендикулярно радиусу. Относительная скорость обусловлена формой лопастей и направлена по касательной к траектории жидкости. В результате, если проследить за движением какой- нибудь частички жидкости в лопастном насосе, то получим кривую от центра к периферии ив сторону вращения. При этом ее момент количества движения увеличивается, а, следовательно, увеличивается энергия. Рис. 60. Кинематика движения частиц жидкости в рабочем колесе насоса Характеристики лопастных насосов Характеристиками насосов называют функциональные зависимости между основными рабочими параметрами. К основным рабочим параметрам насосов относят Q – подача насосам с H – напор насосам потребляемая мощность насоса, вт; n – частота вращения вала насоса, с η – коэффициент полезного действия насоса. Напор насоса – удельная механическая энергия, которую передает насос протекающей через него жидкости. Характеристики лопастных насосов делятся на рабочие (или просто характеристики) и кавитационные. Характеристикой насоса называются зависимости напора, потребляемой мощности и кпд от его подачи при n = const и отсутствии кавитации. Рабочие и кавитационные характеристики для каждого насоса определяются экспериментально и приводятся в паспорте насосав виде графиков (рис. 61). Рис. Характеристики насоса, ∆ h - кавитационная характеристика насоса. Более краткая характеристика, которая обязательно приводится в паспорте насоса и на его корпусе – это номинальные параметры насоса. К ним относятся напори подача, которые обеспечиваются при максимальном КПД насоса. Гидродинамические передачи Гидродинамической передачей (ГДП) называется машина, обеспечивающая передачу мощности сведущего вала на ведомый без жестких связей за счет взаимодействия лопастных систем с рабочей жидкостью. ГДП представляют собой сочетание водном агрегате рабочих органов двухлопастных машин – центробежного насоса и гидротурбины. Центробежный насос передает подводимую к нему энергию жидкости и эта жидкость подается затем на турбину. В турбине жидкость посредством рабочего колеса передает энергию навал турбины, а отработанная жидкость возвращается во всасывающую линию центробежного насоса (рис. 62). Чтобы исключить потери энергии при движении рабочей жидкости от насоса к турбине и обратно, их объединяют в один агрегат. Тем самым достигается высокий кпд – порядка 0,85 … 0,95. Рис. 62. Принципиальная схема гидродинамических передач К достоинствам ГДП следует отнести 1. Возможность передачи больших мощностей при сравнительно малых габаритах, а следовательно и массе (0,2 … 0,3 кг на 1 кВт. 2. Гибкость в передаче энергии (отсутствие жестких связей, обеспечение быстрого дистанционного отключения, включения, реверсирования, бесступенчатое изменение тягового усилия. 3. Исключение перегрузки двигателя и обеспечение его работы на экономичных режимах. 4. Малый удельный весна единицу мощности. Недостатки ГДП: 1. Переменный кпд по режимам работы и меньшее его значение по сравнению с механической передачей. 2. Необходимость охлаждения рабочей жидкости. 3. Ненадёжность уплотнений. Гидродинамические передачи осуществляются при помощи гидромуфт и гидротрансформаторов. Гидромуфты Гидродинамической муфтой называется передача, обеспечивающая гибкое соединение и передачу мощности с ведомого на ведущий вал при взаимодействии жидкости с лопастями без изменения величины крутящего момента. Гидромуфты применяются для гибкого соединения валов, обеспечения работы нескольких двигателей на один вал, разгона тяжелых масс, регулирования числа оборотов ведомого вала и, следовательно, рабочей машины. Гидромуфта (рис. 63) состоит из двухосновных элементов насосного колеса 1 с лопастями 2 и турбинного колеса 4 с лопастями 5. Насосное и турбинные колёса крепятся соответственно к первичному 3 и вторичному 7 валам. Кроме этого, необходимыми элементами являются кожухи уплотнения. Рабочая жидкость (обычное минеральное масло) подводится через полый вал. Гидромуфта может работать при полном заполнении и при частичном заполнении. При полном заполнении отношение объема жидкости к объему свободного пространства (номинальный объём) составляет 0,9. Рис. 63. Схема гидромуфты Основными рабочими параметрами гидромуфты являются М – крутящий момент, Нм n 1 и n 2 – частота вращения ведущего и ведомого валов, с η – кпд передаточное отношение – i = n 1 /n 2 ; скольжение S = (n 1 - Внешняя характеристика гидромуфты строится на основании испытаний или расчетов при постоянном числе оборотов насосного колеса и постоянной вязкости жидкости. Основные характеристики гидромуфты имеют вид, представленный на рис. 64. Рис. 64. Основные характеристики гидромуфты Регулировка работы гидромуфты (изменение передаточного отношения) может производиться различными способами. Наиболее широкое применение получил способ переменного заполнения, те. способ, при котором меняют количество рабочей жидкости в рабочем объеме гидромуфты. Вследствие этого меняются её характеристики, а следовательно и обороты выходного вала n т. Применяется также способ регулирования поворотом лопастей и способ регулирования изменением проточной части. Гидротрансформаторы Гидротрансформатором крутящего момента называется энергетическая машина, обеспечивавшая гибкое соединение валов и передачу мощности сведущего вала на ведомый с преобразованием крутящего момента и изменением числа оборотов ведомого вала по сравнению с числом оборотов ведущего вала. Гидротрансформаторы отличаются от гидромуфт тем, что кроме насосного и турбинного колес в их рабочей полости установлен направляющий аппарат (реактор, представляющий из себя подвижную лопастную систему рис. 65). Реактор, отклоняя жидкость своими лопатками, изменяет момент количества движения жидкости. Тем самым изменяется как крутящий момент выходного вала таки его число оборотов. Кроме этого, можно обеспечить реверса также переключение скоростей в трансмиссии. Реактор является дополнительным источником потерь, поэтому кпд. гидротрансформато- ров ниже, чему гидромуфт и составляет 0.8 … 0.85. Рис. 65. Схема гидротрансформатора Рабочими параметрами гидротрансформаторов являются крутящие моменты турбины и насоса М т , Мн, их число оборотов n т, n н, передаточное отношение i = n т н, коэффициент преобразования (трансформации) (к = М т /М н ) и кпд ( η = к i). Основные характеристики гидротрансформаторов это зависимости вида М т = f(n т, η = f(n т. Они обычно представляются в графической форме и имеют вид представленный на рис. 66. Рис. 66 Основные характеристики гидротрансформатора Тема 8. Объемные машины и гидроприводы К объемным машинам относятся объемные насосы и объемные гид- родвигатели. Конструктивно они мало, чем отличаются друг от друга (насосы при определенных условиях могут выполнять функции гидродвигателей и наоборот. Поэтому подробно рассмотрим только наиболее распространенные типы насосов. Насосом называется гидравлическая машина, предназначенная для перемещения капельных жидкостей. Принцип действия объемных насосов заключается в периодическом повторении следующих операций 1) всасывание определенного объема жидкости, 2) изоляция его от полости всасывания и перенос к полости нагнетания, 3) вытеснение из последней в рабочую магистраль. Эти операции могут осуществляться при помощи различных устройств, но все устройства как правило имеют качающие пары, состоящие из рабочих камер и вытеснителей. По характеру движения рабочего органа различают возвратно- поступательные и роторные насосы. К возвратно-поступательным относятся поршневые, плунжерные и диафрагменные. К роторным относят шестеренные, пластинчатые, винтовые и т.п. Поршневые насосы Поршневые насосы относятся к числу объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется путем ее вытеснения из неподвижной рабочей камеры (цилиндр) вытеснителем (поршень. Классифицируются поршневые насосы последующим показателям 1) по типу вытеснителей плунжерные, поршневые и диафрагменные; 2) по характеру движения ведущего звена возвратно- поступательное движение ведущего звена вращательное движение ведущего звена (кривошипные и кулачковые насосы 3) по числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход одностороннего действия двухстороннего действия. 4) по количеству поршней однопоршневые: двухпоршневые: много- поршневые. Насос простого действия. Схема насоса простого действия изображена на рис. 67. Поршень 7 связан с кривошипно-шатунным механизмом через шток 8, в результате чего он совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 6. Поршень приходе вправо создает разрежение в рабочей камере, вследствие чего клапан 3 поднимается и жидкость из расходного резервуара 1 по всасывающему трубопроводу 2 поступает в рабочую камеру 9. При обратном ходе поршня (влево) всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 4 открывается, и жидкость нагнетается в напорный трубопровод 5. Рис. 67. Насос поршневой простого действия 1) резервуар с жидкостью 2) всасывающий трубопровод 3) клапан на всасывающей линии) клапан на нагнетательной линии 5) напорный трубопровод 6) цилиндр 7) поршень) шток 9) рабочая камера Так как каждому обороту двигателя соответствует два хода поршня, из которых лишь один соответствует нагнетанию, то теоретическая подача будет равна n l F Q ⋅ ⋅ = , (60) где F – площадь поршням ход поршням п – число оборотов двигателя, с -1 Для повышения производительности и более равномерной работы поршневых насосов их часто выполняют сдвоенными, строенными и т.д. Поршни таких насосов приводятся в действие от одного коленчатого вала со смещением колен. Действительная подача насоса Q меньше теоретической, так как возникают утечки, обусловленные несвоевременным закрытием клапанов, не- плотностями в клапанах и уплотнениях поршня и штока, а также неполнотой заполнения рабочей камеры. Отношение действительной подачи Q к теоретической т Q называется объемным КПД поршневого насоса Объемный КПД – основной экономический показатель, характеризующий работу насоса т Q Q о = η Насос двойного действия. Более равномерная и увеличенная подача жидкости, по сравнению с насосом простого действия, может быть достигнута насосом двойного действия (рис. 68), в котором каждому ходу поршня соответствуют одновременно процессы всасывания и нагнетания. Эти насосы выполняются горизонтальными и вертикальными, причем последние наиболее компактны. Рис. 68. Насос поршневой двойного действия 1) всасывающий трубопровод 2) клапан на всасывающей линии 3) клапан на нагнетательной линии 4) напорный трубопровод 5) цилиндр 6) поршень 7) шток Теоретическая подача насоса двойного действия будет равна n l f F n l F Q ⋅ − + ⋅ ⋅ = ) ( , где F – площадь поршням ход поршням п – число оборотов двигателя, с f – площадь штокам Дифференциальный насос. В дифференциальном насосе (рис. 69) поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3 (вариант I) или малый зазор (вариант II) со стенкой цилиндра. Насос имеет два клапана всасывающий 7 и нагнетательный б, а также вспомогательную камеру 1. Всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за оба хода. Так, приходе поршня влево из вспомогательной камеры в нагнетательный трубопровод 2 вытесняется объем жидкости, равный (F – f)l, приходе поршня вправо из основной камеры вытесняется объем жидкости, равный f ⋅ l. Таким образом, за оба хода поршня в нагнетательный трубопровод будет подан объем жидкости, равный (F-f)l+fl = Fl, те. столько же, сколько подается насосом простого действия. Разница лишь в том, что это количество жидкости подается за оба хода поршня, следовательно, и подача происходит более равномерно. Рис. 69. Схема поршневого насоса с дифференциальным поршнем |