При решении практических задач в гидравлике пользуются обеими известными методами построения моделей как физическим, так и математическим моделированием.
При физическом моделировании модель, как и натура, имеют одинаковую физическую природу и отличаются друг от друга лишь размерами. При математическом моделировании модель имеет иное, чем натура, физическое содержание: общими у них являются лишь одинаковые дифференциальные уравнения, описывающие сходные физические процессы, протекающие в модели и натуре.
Для геометрического подобия необходимо, чтобы отношение любых сопоставляемых линейных размеров модели и натуры были бы одинаковыми. Так протяжённость модели и натуры, а также и другие прочие размеры должны находится между собой в пропорциональной зависимости:
где: и - линейный размер соответственно на модели и на натуре,
- коэффициент геометрического подобия, масштаб моделирования.
В таком случае, при сопоставлении размеров площадей на модели и натуре должен соблюдаться такой же масштабный множитель, но с учётом порядка мерности величины:
Т.е. при сопоставлении размеров площадей на модели и на натуре соотношение этих величин будет равно квадрату масштабного линейного множителя. Соответственно для сопоставления объёмов:
Для кинематического подобия необходимо, чтобы траектории всех сопоставимых частиц были геометрически подобны, т.е. при этом кроме геометрического подобия сопоставимых криволинейных отрезков модели и натуры выполнялось ещё подобие сопоставимых интервалов времени в модели и натуре.
Тогда величины скоростей движения частиц в модели и натуре будут относиться между собой как:
5 - величины расходов жидкости: '
Для динамического подобия сравниваемых потоков необходимо, чтобы в соответствующих местах потоков были подобны действующие в них одноимённые силы. Пусть в сопоставимых точках потока жидкости и строящейся модели этого потока действует некоторая инерциальная сила F. Тогда при соблюдении геометрического и кинематического подобия, критерий динамического подобия может быть выражен следующим образом:
Величина носит название масштаба сил.
Рассмотрим критерии подобия отдельных сил действующих в жидкости.
Сила внутреннего трения в жидкости.
Заменив мы получим основное условие подобия потоков, в которых основную роль играют силы внутреннего трения жидкости. Для подобия таких потоков необходимо равенство чисел Рейнольдса.
Определяющей в потоке является сила тяжести.
j
Таким образом, если определяющей силой в потоке является сила тяжести, то для подобия таких потоков необходимо постоянство числа Фруда
Для потока жидкости, в котором определяющей силой является сила давления:
Если определяющей в потоке жидкости является сила давления, то для подобия таких потоков обязательным условием является равенство критерия Эйлера
50. Первым научным трудом о гидравлики можно считать трактат Архимеда "О плавающих телах" (250 г. до н.э.). Откуда закон Архимеда, определяющий силу давления жидкости на поверхность погруженного в нее тела, дошел до наших дней.
На рубеже 16-17 веков Леонардо да Винчи написал исследование "О движении и измерении воды".
Последующие главнейшие работы принадлежат Галилею, Торичелли, Паскалю, Ньютону. Торичелли сформулировал главный закон истечения идеальной жидкости из отверстий, Паскаль установил закон о передаче давления внутри жидкости, Ньютон высказал гипотезу о внутреннем трении в жидкости.
Но как самостоятельная наука гидравлика начала формироваться только после работ М.Ломоносова, Д.Бернулли и Л.Эйлера. В18 веке были установлены основные законы гидравлики, ставшие ее основой.
В 19 веке в области гидравлических исследований можно отнести работы: французского ученого Шези - изучавшего равномерное движение жидкости Вентури - исследовавшего истечение через насадки; Вейсбиха- местные и путевые сопротивления; Базена- истечение жидкости через водосливы;
О. Рейнольдса - режимы движения жидкости.
Большую роль в развитии гидравлики (19 в.) сыграли русские ученые:
И.С. Громек (ур-е Громека для вихревого движения жидкости); Профессор Н. Е. Жуковский (рассмотрел явление гидравлического удара, разработал теорию о подъемной силе крыла).
51. Существует много видов, типов и конструкций насосов, однако все они по принципу действия могут быть разделены на две группы: динамические и объемные.
К динамическим насосам относятся такие, в которых механическая энергия двигателя преобразуется в механическую энергию жидкости путем непрерывного силового воздействия рабочего органа на жидкость в проточной камере, имеющей постоянное сообщение с входным и выходным патрубками. В эту группу насосов входят: лопастные (центробежные и осевые) и насосы трения (винтовые и струйные).
В объемных насосах преобразование механической энергии двигателя в механическую энергию жидкости происходит путем периодического силового воздействия рабочего органа на жидкость в камере, попеременно сообщающейся с входным и выходным патрубками. В эту группу насосов входят: возвратно-поступательные (поршневые и плунжерные) и роторные (роторно-поршневые, аксиально-поршневые, шестеренные, винтовые, пластинчатые).
По конструктивным признакам насосы подразделяются на следующие виды: по направлению оси рабочих органов - на горизонтальные и вертикальные, по расположению рабочих органов и конструкций опор - на консольные, моноблочные, с выносными опорами и с внутренними опорами; по расположению входного патрубка - на насосы с боковым входом, с осевым входом и двустороннего входа; по числу ступеней - на одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые.
53. Основные параметры насосов
Работа насоса характеризуется следующими основными параметрами: подачей, напором, потребляемой мощностью, коэффициентом полезного действия (КПД) и частотой вращения.
Подачей насоса называется объем жидкости, проходящей в единицу времени через напорный (выходной) патрубок.
Подача насоса зависит от геометрических размеров рабочей камеры и рабочего органа и скорости его движения, а также от утечек жидкости внутри насоса через неплотности между областями нагнетания и всасывания.
Рабочим объемом объемного насоса называется сумма разностей наибольшего и наименьшего значений объемов рабочих камер насоса за один оборот приводного вала.
Напором насоса называется удельная (приходящаяся на единицу веса) энергия жидкости, приобретаемая ею при прохождении насоса:
(1)
Давление насоса р определяется зависимостью
(2)
где - плотность перекачиваемой жидкости; ~ напор насоса.
Мощностью насоса N называется мощность, потребляемая насосом:
(3)
Полезной мощностью насоса называется мощность, приобретаемая жидкостью при прохождении ею насоса:
(4)
Отношение полезной мощности к мощности насоса N называется коэффициентом полезного действия (КПД) насоса:
(5)
Если на валу двигателя, вращающего вал насоса с рабочим колесом, развивается мощность N. а полезная мощность, приобретаемая жидкостью в насосе, , то уравнение баланса энергии центробежного насоса можно представить в виде
(6)
где - потери мощност
54. Поршневой насос представляет собой машину объемного действия, в которой вытеснение жидкости из замкнутого пространства насоса происходит в результате прямолинейного возвратно-поступательного движения вытеснителей.
Классификация и основные конструкции поршневых насосов
Поршневые насосы классифицируются по нескольким основным признакам:
1. По характеру движения ведущего звена: прямодействующие, в которых ведущее звено совершает возвратно-поступательное движение (паровые прямодействующие); вальные, в которых ведущее звено совершает вращательное движение (кривошипные, кулачковые).
2. По числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход: одностороннего и двухстороннего действия.
3. По количеству поршней или плунжеров: однопоршневые, двухпоршневые, трехпоршневые и многопоршневые.
4. По виду вытеснителей: поршневые, плунжерные и диафрагменные.
5. По способу приведения в действие: с механическим приводом и ручные.
55.Состоит:
— корпус насоса;
— всасывающий клапан;
— нагнетательный клапан;
— воздушный колпак на всасывающей линии;
— воздушный колпак на нагнетательной линии
Для сглаживания пульсаций давления и подачи жидкости, обусловленных неравномерностью мгновенной подачи поршневые насосы оборудуют своеобразными накопителями энергии и жидкости — воздушными колпаками: на линии всасывания и на линии нагнетания. При этом, например, в колпаке на всасывающей линии происходят следующие процессы. При движении поршня вправо идет процесс всасывания, причем наибольшая подача жидкости в насос должна происходить при максимальной скорости поршня, т. е. в середине его хода, а наименьшая — в левой и правой мертвых точках. Жидкость во всасывающем трубопроводе должна была бы тоже изменять свою скорость, на что требуются дополнительные затраты энергии. Однако благодаря наличию колпака под действием перепада давлений в нем и в рабочей камере насоса при максимальной подаче значительная часть жидкости поступает в насос из колпака, при минимальной подаче запас жидкости в колпаке пополняется из линии всасывания. Таким образом, воздух, сжимаясь, накапливает энергию, одновременно в колпаке накапливается жидкость. При «дефиците» жидкости, поступающей из всасывающего трубопровода, сжатый воздух в колпаке, расширяясь, выталкивает жидкость в насос, восполняя этот «дефицит». В результате снижаются потери энергии (т. е. возрастает действительный напор насоса), а также увеличивается допустимая высота установки насоса.
56.Состоит
— цилиндр;
— поршень;
— всасывающие клапаны;
— нагнетательные клапаны;
— шток;
Особенностью насоса двойного действия является то, что в нем задействованы обе торцевых поверхности поршня, поэтому его производительность почти вдвое выше, чем у насоса простого действия:
Кроме того, за счет более высокой равномерности подачи (когда в правой рабочей камере происходит всасывание, в левой идет нагнетание, и наоборот) объем воздушных колпаков также уменьшается
57.
При ходе всасывания в цилиндре освобождается объем:
V = F · S м3>.
Этот объем заполняется всасываемой жидкостью. При ходе нагнетания этот же объем жидкости нагнетается в напорный трубопровод, следовательно V - теоретическая подача насоса за один двойной ход поршня.
Теоретическая подача насоса в 1 секунду:
58.
При ходе поршня вправо (см. рис. 1.1, в) в левую камеру поступает объем жидкости, равный F · S, а при обратном в правую камеру поступает объем (F — f) · S, где f - площадь сечения штока, уменьшающая полезный объем цилиндра.
Тогда при одном двойном ходе теоретический объем жидкости, поступающей в насос и нагнетаемый им, составит:
F · S + (F - f) · S = F · S + F · S - f · S = (2 · F - f) · S.
При этом теоретическая подача насоса двойного действия:
(1.5)
59. Действительная подача насоса Qд всегда меньше теоретической Qт. Это обусловлено несколькими факторами.
а) утечками жидкости через уплотнения штока или поршня в атмосферу;
б) перетоком жидкости через уплотнения поршня внутри цилиндра;
в) утечками жидкости в клапанах вследствие их негерметичности и запаздывания закрывания;
г) подсосом воздуха через уплотнения сальника;
д) дегазацией жидкости в цилиндре насоса вследствие снижения давления в рабочей камере;
е) отставанием жидкости от движущегося поршня.
Утечки, перечисленные в пп. а), б) и в) учитываются коэффициентом утечек ηу, явления, перечисленные в пп. г), д) и е) - коэффициентом наполнения ηн.
Произведение коэффициентов утечек и наполнения называется коэффициентом подачи η, который характеризует отношение действительной подачи насоса к теоретической:
(1.7)
Коэффициент подачи зависит от качества уплотнений, степени их изношенности, свойств перекачиваемой жидкости и режима работы насоса. В реальных условиях коэффициент подачи колеблется от 0,85 до 0,98.
Отношение действительной подачи Q к теоретической QT называется объемным КПД поршневого насоса:
Объемный КПД - основной экономический показатель, характеризующий работу насоса.
60. Мощностью, потребляемой насосом называется энергия, подводимая к нему от двигателя за еденицу времени:
Отношение полезной мощности к мощности насоса N называется коэффициентом полезного действия (КПД) насоса:
61. Радиально-поршневой насос состоит из: поршней, блока цилиндра и статора.
Секундной подачей насоса называется объем жидкости, проходящей в 1 секунду через напорный (выходной) патрубок.
В радиально поршневой машине поршни, вращаясь вместе с блоком цилиндров, участвуют одновременно в возвратно-поступательном движении в радиальном направлении, т.к. они опираются на кольцевую направляющую поверхность статора, размещенную с эксцентриситетом е относительно оси О вращающейся части машины (ротора).
Достоинства: отсутствие всасывающего и нагнетательных клапанов.
Недостатки: неравномерность подачи, момента и сил.
62. Аксиально-поршневой насос состоит из: блока цилиндров, вала, ведущего диска, шатунов и поршней.
При вращении блока и вала вокруг своей оси поршни совершают относительно цилиндров возвратно-поступательное движение. Синхронизация вращения вала и блока в машине осуществляется шатунами, которые, проходя поочередно через положение максимального отклонения от оси поршня, прилегает к его юбке и, давя на нее, сообщают вращение блоку цилиндров. Для этого юбки поршней выполнены длинными, а шатуны снабжены точными конусными шейками.
63. Шестеренныенасосы с внешним зацеплением двух шестерён - наиболее распространённый - всасывает жидкость при выходе зубьев одного колеса из впадин другого и нагнетает её при входе зубьев одной шестерни в зацепление с другой. Шестеренные насосы снабжаются предохранительным клапаном, который при достижении максимально допустимого давления перепускает жидкость со стороны нагнетания на сторону всасывания. Шестеренные насосы используют для подачи нефтепродуктов и др. жидкостей без абразивных примесей.
Достоинство: простота конструкции.
Недостатки: малый КПД.
64. Гидроцилиндры - это детали, находящиеся под постоянной нагрузкой и прямо влияющие на безопасность движения.
Гидроцилиндры осуществляют возвратно-поступательное движение в металлообрабатывающих станках, и др. гидрофицированных машинах. Гидроцилиндры могут быть одностороннего и двустороннего действия, поршневые с односторонним или двусторонним штоком и телескопические.
65. Гидроцилиндры - это детали, находящиеся под постоянной нагрузкой и прямо влияющие на безопасность движения.
Гидроцилиндр одностороннего действия состоит из: плунжера, пружины, основной и грязезащитный уплотняющие элементы. Гидроцилиндры осуществляют возвратно-поступательное движение в металлообрабатывающих станках, и др. гидрофицированных машинах. В гидроцилиндрах одностороннего действия обратный ход совершается под действием внешней нагрузки.
Усилие, развиваемое штоком гидроцилиндра при его выдвижении и втягивании соответственно:
и
Где =0,9…0,98 – коэффициент, учитывающий потери на трение.
Скорость перемещения поршня:
и
66. Гидроцилиндры - это детали, находящиеся под постоянной нагрузкой и прямо влияющие на безопасность движения.
Гидроцилиндр двустороннего действия состоит из: поршня со штоком, уплотненных внутренних и наружных уплотнителей. Гидроцилиндры осуществляют возвратно-поступательное движение в металлообрабатывающих станках, и др. гидрофицированных машинах. В гидроцилиндрах двустороннего действия обратный ход совершается под действием рабочей среды.
Усилие, развиваемое штоком гидроцилиндра при его выдвижении и втягивании соответственно:
и
Где =0,9…0,98 – коэффициент, учитывающий потери на трение.
Скорость перемещения поршня:
и
68. Лопастные насосы бывают осевые, диагональные и центробежные.
69. Активные турбины выполняют в основном ковшовыми. Колесо представляет собой диск, на окружности которого закреплены ковши. Вода подводится по напорному трубопроводу к соплу, представляющему собой сходящийся насадок, и выходит из него с большой скоростью в виде струи. Струя натекает на ковши колеса и приводит его во вращение. Мощность турбины регулируется иглой, перемещающейся внутри сопла в осевом направлении. При перемещении иглы изменяется расход воды. Как правило, ковш состоит из двух чаш (а и б), разделенных средним заостренным ребром б, на которое и поступает струя. Растекаясь по чашам, струя поворачивает почти на 180°, и сила ее взаимодействия с ковшом максимальная. Ковшовые турбины применяют при напорах до 1700 м.
Реактивные турбины делятся на радиально-осевые и осевые (пропеллерные), которые отличаются от радиально-осевых, в основном, типом турбинного колеса. В радиально-осевых турбинах колесо центростремительное, в осевых - осевое.
Осевые (пропеллерные) турбины применяют при малых напорах (до 80 м). Их можно выполнять с поворотными лопастями (поворотно-лопастные турбины). Кроме лопастного колеса основными элементами являются направляющий аппарат и отсасывающая труба. Направляющий аппарат представляет систему лопастей, установленных под определенным углом. Совместно с турбинной камерой он сообщает воде окружную составляющую скорости.