40. Гидромашины, классификация, основные параметры.

Гидромашина — устройство, создающее или использующее поток жидкой среды.

Посредством этого устройства происходит преобразование подводимой механической энергии в энергию потока жидкости или использование энергии потока рабочей жидкости для совершения полезной работы. К гидромашинам относятся насосы и гидродвигатели.

Насос – гидромашина, преобразующая механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости. Основными параметрами, характеризующими работу насоса, привод которого осуществляется от источника механической энергии вращательного движения, являются:

1. Напор насоса Н_н, м — приращение полной удельной механической энергии жидкости в насосе;

2. Подача насоса Q_н, м³/с — объем жидкости, подаваемый насосом в напорный трубопровод в единицу времени;

3. Частота вращения вала насоса n, об/с, или с^-1;

4. Угловая скорость ω = 2πn, рад/с;

5. Потребляемая мощность насоса N, Вт — мощность, подводимая к валу насоса;

6. Полезная мощность насоса N_n, Вт — мощность, передаваемая насосом потоку жидкости;

7. Коэффициент полезного действия (КПД) насоса η_н — отношение полезной мощности насоса к потребляемой.

Гидродвигатель — гидромашина, преобразующая энергию потока жидкости в механическую работу. Гидродвигатель использует энергию потока жидкости для выполнения некоторой полезной работы.

Выходное звено гидродвигателя – его элемент, непосредственно совершающий полезную работу. В большинстве случаев это или вращающийся вал, или шток, движущийся возвратно-поступательно.

Основными параметрами, характеризующими работу гидродвигателя, являются:

1. Напор, потребляемый гидродвигателем Н_гд, м — полная удельная энергия, передаваемая гидродвигателю потоком рабочей жидкости;

2. Расход, потребляемый гидродвигателем Q_гд, м³/с — объем жидкости, поступающий в гидродвигатель из трубопровода в единицу времени;

3. Частота вращения выходного вала гидродвигателя n, об/с, или с^-1;

4. Скорость поступательного движения выходного штока v, м/с; ;

5. Момент на выходном валу гидродвигателя М_гд, Н∙м (для гидродвигателей с вращательным движением выходного звена);

6. Нагрузка (сила) на штоке гидродвигателя F, Н (для гидродвигателей с возвратно-поступательным движением выходного звена);

7. потребляемая мощность гидродвигателя N, Вт — мощность, передаваемая гидродвигателю потоком жидкости, проходящего через него;

8. Полезная мощность гидродвигателя N_n, Вт — мощность, развиваемая на выходном звене гидродвигателя; N_n = M_гд ω, N_n = F v

9. Коэффициент полезного действия (КПД) гидродвигателя η_гд — отношение полезной мощности гидродвигателя к потребляемой.

38. Трубопровод с насосной подачей.

Основной способ подачи жидкости в машиностроении – принудительное нагнетание ее насосом. Насос – гидравлическое устройство, преобразующее механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости. В гидравлике трубопровод, в котором движение жидкости обеспечивается за счет насоса, называется трубопроводом с насосной подачей (рисунок 5.4, а).

Цель расчета трубопровода с насосной подачей – определение напора, создаваемого насосом. Напор насоса Н_н – полная механическая энергия, переданная насосом единице веса жидкости. Таким образом, для определения Н_н необходимо оценить приращение полной удельной энергии жидкости при прохождении ее через насос, т.е. Н_н = Н_вых – Н_{вх (1)}, где Н_вх, Н_вых — удельная энергия жидкости соответственно на входе и выходе из насоса.

Рассмотрим работу разомкнутого трубопровода с насосной подачей (рисунок 5.4, а). Насос перекачивает жидкость из нижнего резервуара А с давлением над жидкостью p₀ в другой резервуар Б, в котором давление р₃.

39. Гидравлический удар в трубопроводах.

Гидравлический удар — скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени.

Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждать другие элементы трубопровода. Для предотвращения гидроударов, вызванных резкой переменой направления потока рабочей среды, на трубопроводах устанавливаются обратные клапаны.

Явление гидравлического удара открыл Жуковский. Увеличение давления при гидравлическом ударе определяется в соответствии с его теорией по формуле:

где D_p — увеличение давления в Н/м², ρ — плотность жидкости в кг/м³, v₀ и v₁ — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (запорного клапана) в м/с, с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода.

Зависимость между скоростью ударной волны c, её длиной и временем распространения (L и τ соответственно) выражается следующей формулой: с = 2L/τ.

В зависимости от времени распространения ударной волны τ и времени перекрытия задвижки t, в результате которого возник гидроудар, можно выделить 2 вида ударов:

- Полный (прямой) гидравлический удар, если t < τ

- Неполный (непрямой) гидравлический удар, если t > τ

При полном гидроударе фронт возникшей ударной волны движется в направлении обратном первоначальному направлению движения жидкости в трубопроводе. Его дальнейшее направление движения зависит от элементов трубопровода, расположенных до закрытой задвижки. При неполном гидроударе фронт ударной волны не только меняет направление своего

движения на противоположное, но и частично проходит далее сквозь не до конца закрытую задвижку.

Расчет гидравлического удара

Прямой гидравлический удар бывает, когда время закрытия задвижки t3 меньше фазы удара T, определяемой по формуле:

Здесь l - длина трубопровода от места удара до сечения, в котором поддерживается постоянное давление, Cu - скорость распространения ударной волны в трубопроводе, определяется по формуле Н.Е. Жуковского, м/с:

где E – модуль объемной упругости жидкости, p – плотность жидкости, - скорость распространения звука в жидкости, Etr – модуль упругости материала стенок трубы, D – диаметр трубы, h – толщина стенок трубы.

Повышение давления при прямом гидравлическом ударе определяется по формуле: P = pCuVo, где Vo - скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки.

Если время закрытия задвижки больше фазы удара (t3>Т), такой удар называется непрямым. В этом случае дополнительное давление может быть определено по формуле:

Результат действия удара выражают также величиной повышения напора H, которая равна:

Высота расположения насоса относительно нижнего уровня жидкости H₁ - высота всасывания, а трубопровод, по которому жидкость поступает к насосу, - всасывающий трубопровод, или гидролиния всасывания. Высота расположения конечного сечения трубопровода или верхнего уровня жидкости Н₂ – высота нагнетания, а трубопровод, по которому жидкость движется от насоса, - напорный, или гидролиния нагнетания.

Запишем уравнение Бернулли для потока жидкости во всасывающем трубопроводе, т.е. для сечений 0-0 и 1-1:

(2)

где — потери напора во всасывающем трубопроводе.

Уравнение (2) – основное для расчета всасывающих трубопроводов.

Цель расчета всасывающего трубопровода – определение давления перед насосом. Оно должно быть выше давления насыщенных паров жидкости. Это необходимо для исключения возникновения кавитации на входе в насос. Из уравнения (2) можно найти удельную энергию жидкости на входе в насос:

(3)

Запишем уравнение Бернулли для потока жидкости в напорном трубопроводе, т. е. для сечений 2-2 и 3-3:

(4)

где — потери напора в напорном трубопроводе.

41. Объёмный гидропривод, принцип действия, основные понятия.

Объёмный гидропривод – гидропривод, в котором используются объёмные гидромашины. Объёмная гидромашина – гидромашина, рабочий процесс которой основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении её из рабочей камеры.

Принцип действия объёмного гидропривода основан на практической несжимаемости рабочей жидкости и на свойстве жидкости передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля.

Закон Паскаля: жидкости (и газы) передают оказываемое на них давление равномерно по всем направлениям.

Принципиальная схема простейшего объёмного гидропривода:

Принцип: гидроцилиндр 1 преобразует механическую энергию в энергию потока жидкости, а гидроцилиндр 2 выполняет обратное преобразование.

Гидропривод должен включать в себя: 1. Энергопреобразователь, 2. Жидксть, 3. Кондиционер рабочей среды, 4. Гидроаппарат.

По виду источника энергии жидкости объёмные гидроприводы делятся на: насосный гидропривод, аккумуляторный гидропривод, магистральный гидропривод.

По виду движения выходного звена, которое совершает полезную работу: поступательного движения, поворотного движения, вращательного движения.

Регулируемый гидропривод – можно изменять скорость выходного звена.

Нерегулир. гидропривод – изменяется только направл. движения жидкости.

при прямом ударе

при непрямом:

Левая часть этого уравнения – удельная энергию жидкости на выходе из насоса H_вых. Подставив в (1) правые части зависимостей (3) для H_вх и (4) для H_вых, получим

(5)

Как следует из уравнения (5), напор насоса H_н обеспечивает подъем жидкости на высоту (Н₁+H₂), повышение давления с р₀ до p₃ и расходуется на преодоление сопротивлений во всасывающем и напорном трубопроводах.

Если в правой части уравнения (5) обозначить H_ст и заменить на KQ^m , то получим H_н=H_cr + KQ^m.

Получаем, что Н_н = Н_{потр (6)}, т.е. насос создает напор, равный потребному напору трубопровода.

Полученное уравнение (6) позволяет аналитически определить напор насоса. Однако в большинстве случаев аналитический способ достаточно сложен, поэтому получил распространение графический метод расчета трубопровода с насосной подачей.

Этот метод заключается в совместном построении на графике характеристики потребного напора трубопровода Н_потр=f(Q) и характеристики насоса Н_нас=f(Q). Под характеристикой насоса понимают зависимость напора, создаваемого насосом, от расхода. Точка пересечения этих зависимостей называется рабочей точкой гидросистемы и является результатом графического решения уравнения (6).