13.2. Основные уравнения гидротурбин. Баланс энергии

В соответствии с уравнением (12.29) момент с которым колесо центробежной машины действует на жидкость

,

(13.1)

равен моменту, с которым жидкость действует на колесо, но со знаком минус

.

(13.2)

Соответственно напор

.

(13.3)

Обозначения те же, что и в уравнениях (12.29 – 12.33).

Работа гидротурбины характеризуется ее расходом, рабочим напором и полезной мощностью. Расходом Q_т турбины называется объем воды, протекающей через турбину за единицу времени. Рабочим напором Н_т называется энергия, отбираемая турбиной от единицы веса протекающей через нее воды, или другими словами разность удельных энергий воды у входа в турбину и за ней. Полезной мощностью N называется мощность, отдаваемая турбиной приводимой ею машине. Найдем располагаемую мощность N_р турбинного потока:

.

(13.4)

Полезная мощность турбины меньше располагаемой мощности потока на величину потерь в турбине. Эти потери оцениваются КПД турбины

.

(13.5)

На рис. 13.4 изображен баланс энергии в гидротурбине.

П отери мощности, как и в насосах, делят на гидравлические, объемные и механические.

Гидравлические потери, т.е. потери энергии на преодоление гидравлического сопротивления внутренних каналов турбины оценивается гидравлическим КПД

.

(13.6)

Гидравлический кпд можно выразить через напор. Обозначим напор, отбираемый турбиной от потока Н, часть этого напора теряется. Если обозначить Н_п – полезный напор турбины, то

.

(13.7)

Объемными потерями называют потери энергии с потоками воды, проходящей мимо рабочего колеса через уплотнение турбины

,

(13.8)

где Q_п – количество воды, проходящей через турбину в единицу времени за вычетом утечек.

Механические потери – потери энергии на трение в подшипниках, сальниках и наружной поверхности колеса о воду и оценивается механическим КПД

.

(13.9)

Полный КПД турбины

.

(13.10)

13.3. Объемные гидродвигатели. Классификация

Объемным гидродвигателем называют гидравлическую машину, в которой движение ведомого звена осуществляется в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытеснителей (поршней, пластин и т.д.).

Объемные гидродвигатели разделяются на силовые цилиндры (гидроцилиндры), развивающие механическую энергию при возвратно поступательном или возвратно-поворотном ограниченных движениях, и гидродвигатели вращательного движения (гидромоторы) в которых энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию неограниченного вращательного движения вала.

13.4. Силовые цилиндры

В качестве гидродвигателя для осуществления прямолинейных возвратно-поступательных движений применяются силовые гидроцилиндры. Они подразделяются на два типа: одностороннего и двустороннего действия (рис 13.5).

П оршень силового цилиндра одностороннего действия (рис. 13.5 а) лишь в одном направлении движется под воздействием жидкости, а в обратном направлении – под воздействием пружины 4.

В силовой цилиндр двустороннего действия (рис. 13.5 б) жидкость попеременно подается в полости по ту или другую сторону поршня, чем и достигается его возвратно-поступательное движение.

Силовой цилиндр состоит из цилиндра 1, в котором совершает возвратно-поступа­тельное движение поршень 2. Во избежание утечек жидкости поршень снабжен уплотнителями в виде манжет или уплотнительных колец. Усилие, создаваемое на поршне, передается на шток 3, а затем исполнительному органу.

Усилие на штоке

,

(13.11)

где р – рабочее давление жидкости;

F – рабочая площадь поршня.

Площадь в левой части силового цилиндра (рис 13.5 б) определяется по формуле

,

(13.12)

а в правой

.

(13.13)

Фактическое усилие возникающее на штоке

,

(13.14)

где η_м – механический КПД, учитывающий потери на трение поршня о зеркало цилиндра, в сальниках и т.п.

Скорость перемещения поршня

.

(13.15)

Для силового цилиндра двустороннего действия

.

(13.16)

Фактическая скорость с учетом утечек жидкости

,

(13.17)

где η_о – объемный КПД силового цилиндра.

Д ля возвратно-поворотных движений приводимых узлов на угол, меньше 360^о, применяют моментные гидроцилиндры.

Принципиальная схема моментного гидроцилиндра изображена на (рис. 13.6). Моментный гидроцилиндр состоит из корпуса 4 и поворотного ротора 1 с лопастью 2. Кольцевая полость между корпусом и ротором разделена перегородкой 3. При подаче жидкости под давлением р_р в левую или правую полость она будет действовать на лопасть 4 и создавать крутящий момент.

Расчетная величина крутящего момента на валу гидроцилиндра с одной пластиной

,

(13.18)

где р = р_р – р_сл – развиваемый перепад давлений;

F = – рабочая площадь пластины;

b – ширина пластины;

ρ – плечо приложения силы ;

Р – сила, действующая на пластину.

Следовательно

.

(13.19)

Угловая скорость ω вала цилиндра определится из условия равенства расхода жидкости Q и объема, описываемого пластиной в единицу времени

.

(13.20)

Фактический момент и угловая скорость

	,	(13.21)
	.	(13.22)