МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДРОГОБИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ФРАНКА

ЮРІЙ ПАВЛОВСЬКИЙ, ІГОР ФАРТУШОК, ІВАН ОСЕРЕДЧУК

ГІДРАВЛІЧНІ ТА ТЕПЛОВІ МАШИНИ

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

Дрогобич, 2010

УДК 621.2(075.8)

ББК 31.36я73

П12

Павловський Ю.В., Фартушок І.М., Осередчук І.В.

Гідравлічні та теплові машини: лабораторний практикум. – Дрогобич, РВВ

Дрогобицького державного педагогічного університету імені Івана Франка,

2010. – 41 с.

Навчальний посібник містить основні теоретичні відомості, розрахункові

співвідношення і формули, методики експериментальних досліджень гідротех-

нічних та термодинамічних процесів і циклів гідравлічних машин, теплових

двигунів та агрегатів. Наведено описи і принципові схеми дослідних установок,

методики та послідовності виконання лабораторних робіт, правила техніки без-

пеки, контрольні запитання для самоперевірки, літературні джерела та взірці

підсумкових звітів.

Посібник призначений для студентів Дрогобицького держаного педагогіч-

ного університету імені Івана Франка, які навчаються за напрямами підготовки

6.010103 “Технологічна освіта” та 6.010104 “Професійна освіта”.

Бібліографія – 12 назв.

Рецензенти:

Стащук М.Г.

Пелещак Р.М.

– доктор фізико-математичних наук, професор, провідний

науковий співробітник Фізико-механічного інституту іме-

ні Г.В.Карпенка НАН України;

– доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач

кафедри загальної фізики Дрогобицького державного пе-

дагогічного університету імені Івана Франка.

Відповідальний за випуск:

Грабовський Р.С. – кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри ма-

шинознавства і матеріалознавства Дрогобицького держав-

ного педагогічного університету імені Івана Франка.

Рекомендовано до друку Вченою радою Дрогобицького державного педа-

гогічного університету імені Івана Франка (протокол № 4 від 18.03.2010 р.).

© Павловський Ю.В., Фартушок І.М., Осе-

редчук І.В., 2010

© Дрогобицький державний педагогічний

університет імені Івана Франка, 2010

2

ЗМІСТ

Передмова................................................................................................................. 5

Лабораторна робота № 1. Вивчення будови, принципу дії та робочої

характеристики відцентрового насосу ............................................................ 6

1.1. Прилади та обладнання................................................................................. 6

1.2. Знання та уміння............................................................................................ 6

1.3. Основні теоретичні відомості....................................................................... 6

1.3.1. Насоси, їх типи, конструкції та принципи дії ....................................... 6

1.3.2. Розрахунок робочих параметрів відцентрового насосу ..................... 11

1.3.3. Робоча характеристика відцентрового насосу .................................... 13

1.4. Послідовність виконання лабораторної роботи ........................................ 15

1.5. Розрахункова частина лабораторної роботи .............................................. 15

1.6. Контрольні запитання ................................................................................. 16

1.7. Список літератури ....................................................................................... 17

1.8. Форма звіту лабораторної роботи .............................................................. 17

Лабораторна робота № 2. Вивчення будови та принципу дії двигуна

внутрішнього згорання .................................................................................. 18

2.1. Прилади та обладнання............................................................................... 18

2.2. Знання та уміння.......................................................................................... 18

2.3. Основні теоретичні відомості..................................................................... 18

2.3.1. Коефіцієнт корисної дії ДВЗ................................................................ 19

2.3.2. Потужність ДВЗ.................................................................................... 19

2.3.3. Витрата палива ..................................................................................... 20

2.4. Послідовність виконання лабораторної роботи ........................................ 21

2.5. Розрахункова частина лабораторної роботи .............................................. 21

2.6. Контрольні запитання ................................................................................. 22

2.7. Список літератури ....................................................................................... 22

2.8. Форма звіту лабораторної роботи .............................................................. 23

Лабораторна робота № 3. Вивчення будови та принципу дії

газотурбінної установки ................................................................................ 24

3.1. Прилади та обладнання............................................................................... 24

3.2. Знання та уміння.......................................................................................... 24

3.3. Основні теоретичні відомості..................................................................... 24

3.3.1. ГТУ, їх типи, конструкції та принципи дії.......................................... 24

3.3.2. Компресор ГТУ..................................................................................... 26

3.3.3. Камера згорання ГТУ ........................................................................... 27

3.3.4. Турбіна ГТУ.......................................................................................... 27

3.4. Послідовність виконання лабораторної роботи ........................................ 28

3.5. Розрахункова частина лабораторної роботи .............................................. 28

3.6. Контрольні запитання ................................................................................. 31

3.7. Список літератури ....................................................................................... 31

3.8. Форма звіту лабораторної роботи .............................................................. 31

3

Лабораторна робота № 4. Визначення холодильного коефіцієнта

побутового холодильника.............................................................................. 32

4.1. Прилади та обладнання............................................................................... 32

4.2. Знання та уміння.......................................................................................... 32

4.3. Основні теоретичні відомості..................................................................... 32

4.3.1. Способи одержання холоду ................................................................. 32

4.3.2. Холодильні машини, їх типи, конструкції та принципи дії ............... 33

4.3.3. Робочі цикли холодильних машин ...................................................... 35

4.4. Опис лабораторної установки..................................................................... 36

4.5. Техніка безпеки при виконанні лабораторної роботи ............................... 37

4.6. Послідовність виконання лабораторної роботи ........................................ 37

4.7. Контрольні запитання ................................................................................. 38

4.8. Список літератури ....................................................................................... 39

4.9. Форма звіту лабораторної роботи .............................................................. 39

Предметний покажчик ........................................................................................... 40

Список літератури.................................................................................................. 41

4

ПЕРЕДМОВА

Сьогодні не існує жодної сфери діяльності людини, де б не використовува-

лися гідравлічні машини та теплові двигуни. Космонавтика, металургія, транс-

порт, енергетика, сільське господарство, хімічна промисловість, приладобуду-

вання, медицина, вакуумна та кріогенна техніка – ось далеко не повний перелік

галузей, де вирішуються наукові та інженерно-технічні проблеми, пов’язані з

транспортуванням рідин і газів та перетворенням енергії.

У гідравліці та теплотехніці, як і в інших технічних дисциплінах, теорія та

експеримент тісно пов’язані між собою. Усі основні закони і гіпотези гідро- та

термодинаміки ґрунтуються на дослідних даних. Мета даного посібника –

ознайомити студентів з основами експериментальних досліджень гідротехніч-

них та термодинамічних процесів і циклів, найпоширенішими гідравлічними

машинами, тепловими двигунами та агрегатами. У ньому наведено описи і

принципові схеми дослідних установок, методики та послідовності виконання

лабораторних робіт, правила техніки безпеки, контрольні питання для самопе-

ревірки, літературні джерела та взірці підсумкових звітів.

Порядок підготовки та виконання лабораторної роботи:

1. Самостійне опрацювання теоретичного матеріалу, на якому базується експе-

риментальне дослідження, вивчення методу і методики його виконання,

принципу дії лабораторного обладнання та правил техніки безпеки при робо-

ті з ним.

2. Одержання допуску до виконання лабораторної роботи (здійснюється у фор-

мі співбесіди з викладачем). Студент одержує допуск, якщо він розуміє та

правильно формулює мету і завдання лабораторної роботи, знає методику та

послідовність її виконання, правила техніки безпеки. Якщо студент не одер-

жав допуск, то до виконання лабораторної роботи він не допускається, а ске-

ровується на повторне опрацювання теоретичного матеріалу.

3. Проведення експериментального дослідження.

4. Оформлення звіту лабораторної роботи.

5. Захист звіту (у формі співбесіди з викладачем, під час якої студент повинен

систематизувати та узагальнити одержані результати, зробити висновок про

їх відповідність теоретичним положенням і твердженням, продемонструвати

уміння застосовувати одержані результати та висновки для вирішення прак-

тичних завдань). Після захисту оформлений згідно з вимогами звіт здається

викладачеві та зберігається у матеріалах кафедри.

Даний посібник призначений для студентів Дрогобицького держаного пе-

дагогічного університету імені Івана Франка, які навчаються за напрямами під-

готовки 6.010103 “Технологічна освіта” та 6.010104 “Професійна освіта”.

5

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1. ВИВЧЕННЯ БУДОВИ, ПРИНЦИПУ ДІЇ

ТА РОБОЧОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСУ

Мета роботи: Ознайомитися з будовою, принципом дії, особливостями

експлуатації та методикою розрахунку робочих характеристик відцентрового

насосу.

1.1. Прилади та обладнання

1. Макет відцентрового насосу.

2. Плакати.

3. Роздатковий матеріал.

1.2. Знання та уміння

Після виконання лабораторної роботи студент повинен ЗНАТИ:

1) призначення насосів;

2) класифікацію насосів за принципом дії;

3) будову відцентрового насосу;

4) характеристику відцентрового насосу.

ВМІТИ:

1) класифікувати відцентрові насоси за технічними параметрами і робочими

характеристиками;

2) розраховувати основні характеристики відцентрових насосів (напір, висоту

всмоктування, потужність та ККД).

1.3. Основні теоретичні відомості

1.3.1. Насоси, їх типи, конструкції та принципи дії

Насосами називаються гідравлічні машини, призначені для створення по-

току рідини. Насос перетворює механічну енергію двигуна в енергію потоку

рідкого середовища.

За принципом дії насоси поділяються на об’ємні та динамічні.

В об'ємних насосах рідина переміщується за рахунок періодичної зміни

об'єму камери, яку вона займає, та її почергового з’єднання з входом і виходом

насосу. До о6'ємних насосів належать зворотно-поступальні (поршневі), плун-

жерні, роторні, шестеренні, гвинтові тощо. Ці насоси використовують там, де

потрібні високі тиски при відносно малих подачах. Наприклад, для живлення

парових котлів, у системах мащення та регулювання турбогенераторів, тепло-

вих двигунів тощо.

У динамічних насосах рідина переміщується під дією прикладеної до неї

деякої сили. Камера такого насосу постійно з’єднана з його входом і виходом.

До динамічних насосів належать лопатеві, відцентрові, осьові, вихрові тощо. Ці

насоси розповсюджені завдяки високим ККД, простотою будови і монтажу.

Наприклад, у лопатевому насосі рідина переміщується під дією лопатей робо-

чого обертового колеса. У відцентровому насосі рідина рухається від центра до

периферії робочого колеса при його обертанні. Ці насоси працюють у тепло-

6

енергетичних установках для живлення котлів, подачі конденсату, циркуляцій-

ної та мережної води. В осьовому насосі рідина рухається вздовж осі робочого

колеса. Ці насоси використовують для подачі значних об’ємів рідини при низь-

ких тисках, наприклад, циркуляційної води до конденсаторів потужних парових

турбін, у шлюзових каналах тощо.

У вихровому насосі рідина переміщується під дією сили тертя по периферії

робочого колеса у тангенціальному напрямі. Ці насоси використовують для

створення відносно високих напорів чистих нев'язких рідин при низьких пода-

чах.

У струминному насосі рідина переміщується зовнішнім потоком іншої рі-

дини під дією сили тертя. До струминних насосів належать ежектори, інжекто-

ри, водоструминні насоси. Їх коефіцієнт корисної дії низький, проте завдяки

простоті конструкції та відсутності рухомих частин вони широко використову-

ються у хімічній та нафтогазовій промисловості, на ТЕЦ, у гідромеханізації

тощо.

Основними параметрами, які характеризують роботу насосу, є подача (ви-

трата), створювані тиск і напір, ККД та споживана потужність.

Подача (витрата) насосу Q (м3/с або кг/с) – це кількість рідини, яку ма-

шина переміщує за одиницю часу. Подача залежить від розмірів насосу та

швидкості руху його робочих органів.

Тиск, який створює насос, Па,

22

 вих   вх

P  Pвих  Pвх   g hвих  hвх  ,

(1.1)

2

де Pвих і Pвх – тиск рідини на виході та на вході насосу, Па;

ρ – густина рідини, кг/м3;

υвих і υвх – швидкість руху рідини на виході та на вході насосу, м/с;

g – прискорення вільного падіння (для Землі g = 9,80665 м/с2);

hвих і hвх – геометрична висота центрів вихідного та вхідного отворів насо-

су, м.

Повний напір насосу, м ст. рід.,

P

H.(1.2)

g

Енергетичними характеристиками насосу є корисна питома робота, корис-

на потужність та коефіцієнт корисної дії. Корисна питома робота насосу – це

робота на валу машини, яка припадає на одиницю маси транспортованої ріди-

ни, Дж/кг,

P

Lпит  gH  .



Вона менша від загальної питомої роботи на величину втрат. Корисна потуж-

ність насосу – це потужність, яку насос передає потоку рідини, Вт,

Nкор = PQ = ρgHQ = MgH = MLпит,(1.3)

3

де Q – об’ємна подача насосу, м /с;

M = ρQ – масова подача насосу, кг/с.

7

Загальний коефіцієнт корисної дії є відношенням корисної потужності до

споживаної і характеризує ступінь досконалості конструкції насосу та ефектив-

ність використання енергії. ККД насосу залежить від його типу, розміру, конс-

трукції, режиму роботи і властивостей рідини. Втрати, які виникають у насосі

під час різних процесів, характеризуються гідравлічним гідр, об'ємним об і ме-

ханічним мех коефіцієнтами корисної дії. Загальний ККД

 = гідробмех.(1.4)

Основним робочим органом поршневого насосу (рис. 1.1) є поршень 4,

який завдяки кривошипно-шатунному механізмові здійснює у циліндрі 3 зворо-

тно-поступальний рух. При ході поршня праворуч корисний об'єм циліндра збі-

льшується і тиск у ньому зменшується. Під дією зовнішнього (атмосферного)

тиску рідина з резервуару через фільтр 8, зворо-

тний клапан 7, всмоктуючу трубу 6 і всмоктую-

чий клапан 5 надходить у циліндр.

Рухаючись ліворуч, поршень виштовхує рі-

дину з циліндра. Тиск у ньому зростає, всмокту-

ючий клапан 5 закривається, нагнітальний кла-

пан 2 відкривається і рідина з циліндра надхо-

дить у нагнітальний трубопровід 1.

Для перекачування в'язких і забруднених

рідин при високих тисках замість поршня вико-

ристовують плунжер – довгий циліндричний

шток. Такий насос називається плунжерним.

Насос, у якому поршень виштовхує рідину

лише однією своєю торцевою частиною, назива-

Рис. 1.1. Схема поршневого

ється насосом одинарної (простої) дії. Насос, у

насосу одинарної дії

циліндрі якого є дві робочі камери і поршень по-

чергово виштовхує з них рідину обома своїми торцевими частинами, називаєть-

ся насосом подвійної дії (рис. 1.2).

Також існують багатоциліндрові поршневі на-

соси, коли в одному агрегаті об’єднано декілька на-

сосів одинарної чи подвійної дії. В рух їх приводить

спільний двигун через спільний вал.

Оскільки поршень у циліндрі рухається нерів-

номірно, то й рідина у всмоктуючому і напірному

трубопроводах теж рухається нерівномірно. При

цьому виникають пульсації тиску, які можуть зруй-

Рис. 1.2. Схема поршневого

нувати окремі частини насосу чи трубопроводу.

насосу подвійної дії

Існує декілька способів зменшення нерівномі-

рності руху рідини у трубопроводі. Один з них – застосування багатопоршне-

вих насосів з паралельним включенням циліндрів. Поршні, рухаючись несинх-

ронно під дією спільного колінчастого валу, забезпечують почергову подачу рі-

дини. Хоча подача з кожного циліндра й залишається нерівномірною, проте за-

гальна подача насосу суттєво вирівнюється.

8

Інший спосіб підвищення рівномірності

всмоктування та подачі рідини полягає у викорис-

танні повітряних ковпаків, встановлених на всмо-

ктувальній і/або напірній трубах поблизу клапан-

ної коробки насосу (рис. 1.3). У верхніх частинах

повітряних ковпаків 1 і 3 міститься повітря. При

русі поршня 2 з максимальними швидкістю та по-

дачею надлишок рідини надходить до нагніталь-

ного ковпака 3. Рівень рідини у ньому підвищу-

ється, стискаючи повітря. При зменшенні подачі

чи її припиненні повітря розширюється, продов-

жуючи транспортувати рідину до нагнітального

трубопроводу. Таким чином рух рідини у нагніта-

льному трубопроводі стає рівномірнішим. Анало-

гічно працює нижній повітряний ковпак 1, який

вирівнює коливання швидкості руху рідини у

всмоктуючому трубопроводі.

Рис. 1.3. Схема встановлення

Подача поршневого насосу залежить від роз-

повітряних ковпаків

мірів робочого циліндра, кількості циліндрів та кі-

лькості ходів поршня. Подача насосу одинарної дії, м3/с,

D 2

(1.5)QSnоб ,

4

де D – діаметр поршня, м;

S – хід поршня, м;

п – кількість подвійних ходів поршня;

ηоб = 0,70,97 – об’ємний ККД насосу, який є відношенням фактичної по-

дачі Q до ідеальної Qід (робочого об'єму циліндра). Його визначають під

час випробування насосу.

Подача насосу подвійної дії, м3/с,



(1.6)

Q  2 D 2  d 2 Snоб ,

4

де d – діаметр штока, м.

Якщо насос має декілька циліндрів, то його подача дорівнює добутку по-

дачі одного поршня на їх кількість.

Внутрішня (індикаторна) потужність, яку споживає поршневий насос

одинарної дії, Вт,

D 2

(1.7)N і  PіSn ,

4

де Pі – індикаторний тиск, який знаходять за індикаторною діаграмою зміни

тиску в циліндрі протягом двох ходів поршня, Па.

Оскільки площа індикаторної діаграми чисельно дорівнює роботі, яку по-

ршень передає рідині за один оберт колінчастого валу, то поділивши її на дов-

жину ходу поршня S, одержимо середній індикаторний тиск Pі.





9

Потужність, яка споживається на валу насосу, більша за внутрішню інди-

каторну, оскільки деяка її частина йде на подолання механічного тертя:

N

іP SLn

 і.(1.8)

мех мех

Механічний ККД поршневих насосів лежить в межах ηмех = 0,90,95.

Гідравлічний ККД враховує втрати на подолання гідравлічного опору в са-

мому насосі (ηгідр = 0,80,94).

Повний (загальний) ККД поршневих насосів

η = ηгідрηобηмех = 0,650,85.

До об’ємних насосів, які працюють за принципом витіснення об'єму ріди-

ни, належать і ротаційні насоси. Вони надійні в роботі, мають неперервну по-

дачу і можуть її змінювати при незмінному тиску. Найпоширенішими роторни-

ми насосами є шестеренні, пластинчасті (шиберні) та гвинтові.

У шестеренному насосі (рис. 1.4) робочими

органами є дві шестерні 1 і 3. Одна з них, яку жо-

рстко посаджено на привідному валу, є ведучою.

Інша обертається вільно і є веденою. При обер-

танні шестерень рідина захоплюється міжзубови-

ми западинами і переміщується з порожнини

всмоктування 4 у напірну порожнину 2. Тут зуби

шестерень входять у зачеплення і видавлюють рі-

дину із западин. Подача шестеренного насосу,

м3/с,

Q = (Slz1n1 + Slz2п2)ηоб,

Рис. 1.4. Схема шестеренного

де z1 і z2 – кількість зубів ведучої і веденоїнасосу

шестерень;

n1 і n2 – частоти обертання шестерень, с–1;

S – площа западини зуба, м2;

l – довжина зуба колеса, м.

Якщо шестерні однакові, то

Q = 2Slznηоб.

Шестеренні насоси є зворотними машинами (машинами зворотної дії), у

яких при підведенні під деяким тиском рідини на валу виникає крутний мо-

мент.

Ротаційні (шиберні) насоси (рис. 1.5) використовують у системах гідро-

приводу. У корпусі 1 обертається ексцентричний ротор 2. Вздовж вифрезува-

них у роторі радіальних канавок вільно рухаються пластини (шибери) 3. Під час

обертання ротора камери, які утворюють пластини з корпусом насосу, періоди-

чно змінюють свій об’єм: при русі пластини вбік всмоктувального патрубка

об’єм камери збільшується і транспортована рідина всмоктується, а при русі

вбік нагнітального – зменшується і рідина виштовхується.

Середня подача ротаційного (шиберного) насосу, м3/с,

Q = Slznηоб,

2

де S – площа порожнини, м .

N

10

Рис. 1.5. Схема ротаційного (шиберно-

го) насосу

Рис. 1.6. Схема гвинтового насосу

Ротаційні (шиберні) насоси також є зворотними машинами.

Гвинтові насоси (рис. 1.6) використовують у системах регулювання і ма-

щення. Вони працюють за тим же принципом, що й шестеренні. Рідина із всмо-

ктувальної порожнини 2 надходить у проміжки між витками різьби гвинтів і

вздовж їх осі обертання переміщується до нагнітаючого патрубка 1.

Діафрагмові (мембранні) насоси (рис. 1.7)

призначені для перекачування агресивних рідин.

У них поршень замінено гнучкою (гумовою або

стальною) пластиною – діафрагмою (мембраною)