Учебное пособие 1464

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра ракетных двигателей

ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профили «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность

жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность обращения с отходами») очной и заочной форм обучения

Часть 2

Воронеж 2019

1

УДК 532.5(07) ББК 22.253я7

Составители: д-р техн. наук Г. И. Скоморохов, канд. техн. наук Д. П. Шматов

Гидрогазодинамика: методические указания к лабораторным работам для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профиль «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность обращения с отходами») очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Г. И. Скоморохов, Д. П. Шматов. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2019. - Ч. 2. 41 с.

Методические указания содержат краткие теоретические сведения, схемы лабораторных установок и общие требования к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Гидрогазодинамика» (раздел «Гидромашины и гидроприводы»). Компьютерная лаборатория по разделу гидромашины и гидроприводы реализована в виде исполняемого программного файла “HYDLAB 2.EXE”.

Методические указания предназначены для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профили «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность обращения с отходами») очной и заочной форм обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле

GidrogazTB2-2019.pdf.

Табл. 9. Ил. 19. Библиогр.: 5 назв.

УДК 532.5(07) ББК 22.253я7

Рецензент - А. В. Кретинин, д-р техн. наук, профессор кафедры нефтегазового обору-

дования и транспортировки

Издаётся по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Гидрогазодинамика» является одной из основополагающих инженерных дисциплин при подготовке специалистов, работающих в области «Техносферная безопасность». Гидрогазодинамика (механика жидкости и газа) представляет собой теоретическую дисциплину, изучающую вопросы, связанные с механическим движением жидкости в различных природных и техногенных условиях. Предметом её исследований являются основные законы равновесия и движения жидкостей и газа и их силовое взаимодействие с твёрдыми телами. Гидравлику можно назвать базовой теоретической дисциплиной для обширного круга прикладных наук, с помощью которых исследуются процессы, связанные с транспортом жидкостей и газов по трубопроводам, сопровождающие работу гидравлических машин и гидроприводов оборудования для аварийных служб МЧС.

Компьютерная лаборатория гидравлических машин и гидроприводов реализована в виде исполняемого файла “HYDLAB 2.EXE” и предназначена для имитационного выполнения лабораторных работ с целью изучения принципа действия, испытания и определения рабочих характеристик насосов и объемных гидроприводов, закрепления основных теоретических положений дисциплины.

Компьютерная лаборатория гидравлических машин и гидроприводов включает в себя лабораторные стенды для испытания насосов и гидроприводов:

стенд для параметрических испытаний центробежных насосов;

стенд для испытания объемных насосов;

стенд для кавитационных испытаний центробежных насосов;

стенд для испытаний регулируемого объемного гидропривода вращательного

действия;

стенд для испытаний регулируемого гидропривода возвратно-поступательного действия с последовательно включенным дросселем;

стенд для испытания регулируемого гидропривода возвратно–поступательного действия с параллельно включенным дросселем;

установку для испытаний гидродинамической муфты.

Методика выполнения лабораторных работ в оболочке виртуальной лаборатории с применением компьютерной версии лаборатории сводится к следующему:

обратиться к программам “HYDLAB 2.EXE” и выбрать выполняемую лабораторную работу;

войти в меню настройки, ознакомиться при необходимости с информацией по лабораторному стенду и произвести выбор постоянных параметров лабораторной установки;

включить режим выполнения лабораторной работы, произвести измерения необходимых параметров и внести полученные данные в таблицу протокола;

выйти из программы, обработать результаты измерений, построить необходимые графики и характеристики, сделать вывод по выполненной лабораторной работе;

оформить лабораторную работу, ответить на контрольные вопросы и представить её к защите преподавателю.

Обработка результатов измерений и вычисления параметров эксперимента выполняются в табличной форме по формулам и уравнениям, приведенным в методических указаниях для соответствующей работы. Лабораторные работы оформляется согласно требованиям

СТП ВГТУ 62-2007.

3

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Факультет машиностроения и аэрокосмической техники (ФМАТ)

Кафедра ракетных двигателей

Журнал для выполнения лабораторных работ

по дисциплине «Гидрогазодинамика»

Руководитель

__________________________________

Подпись, дата ФИО

Нормоконтролер __________________________________

Подпись, дата ФИО

Защищена _________________Оценка

_________________дата

Воронеж, 20___

4

Лабораторная работа № 1 Параметрические испытания центробежного насоса

Цель работы:

1)изучить работу насосной установки с центробежным насосом;

2)освоить методику параметрических испытаний центробежного насоса;

3)провести параметрические испытания и получить графическую характеристику центробежного насоса.

Краткие теоретические сведения. Лопастные насосы представлены в современной промышленности тремя основными типами – центробежные, осевые и диагональные насосы. Широкое распространение их объясняется достаточно высоким коэффициентом полезного действия, компактностью и удобством комбинирования их с приводными двигателями.

В настоящей работе рассматриваются устройство и работа центробежного насоса 2К- 6, схема которого приведена на рисунке 1.1.

Основным элементом центробежного насоса (рисунок 1.1) является рабочее колесо 1, состоящее из двух дисков, соединенных изогнутыми лопастями. Жидкость по всасывающему трубопроводу 2 поступает в центральную часть рабочего колеса и под действием центробежных сил движется по межлопастным каналам к его периферии. Увеличивающееся к выходному патрубку - отводу 3 – поперечное сечение спирального канала приводит к плавному снижению большой скорости, полученной жидкостью на выходе из рабочего колеса, до нормальной скорости в отводе 3 и далее в нагнетательном трубопроводе.

Рисунок 1.1 – Одноступенчатый центробежный насос

Внутри корпуса центробежного насоса может быть установлено одно или несколько рабочих колес. Соответственно, центробежные насосы делятся на одно - и многоступенчатые. В многоступенчатых насосах для повышения напора жидкость, выходящая из первого рабочего колеса, поступает на второе рабочее колесо, затем на третье и т.д. Общий напор, создаваемый многоступенчатым насосом, приблизительно равен сумме напоров, приобретенных жидкостью в каждом рабочем колесе.

В данной работе проводятся параметрические испытания с целью определения технических показателей (параметров) и характеристик центробежных насосов.

Рабочие характеристики представляют собой зависимость напора, создаваемого насосом, мощности на валу насоса и полного КПД от подачи (производительности) насоса. Все эти зависимости представляются в виде кривых на одном графике при постоянном числе

оборотов рабочего колеса.

5

Работа насоса характеризуется следующими основными техническими показателями:

подачей - Q, напором - H, мощностью - N, коэффициентом полезного действия - , частотой вращения - n и ∆ д - допускаемым кавитационным запасом.

На рисунке 1.2 представлена паспортная графическая характеристика центробежного насоса К 8/18 при частоте вращения – 48 с-1 (2900 об/мин), жидкость вода - =1000 кг/м3. Консольные насосы К 8/18 предназначены для перекачивания воды с pH = 6 - 9 и других жидкостей, сходных с водой по плотности, вязкости и химической активности. Размер твердых включений до 0,2 мм с объемной концентрацией не более 0,1%.

Характеристика насоса: Подача - 8 м3/час; Напор - 18.00 м; Частота вращения - 2900 (48) об/мин (сек-1); Максимальная потребляемая мощность - 1.20 кВт; Допускаемый кавитационный запас - ∆ д = 3.80 м, не менее; Масса насоса - 32 кг.

Рисунок 1.2 – Графическая характеристика насоса К 8/18 при частоте вращения – 48 с-1 (2900 об/мин), плотность жидкости (вода) - =1000 кг/м3

Описание установки. Для испытания насосов используются установки с открытой или закрытой циркуляцией жидкости. На рисунке 1.3 приведена виртуальная лабораторная установка открытого типа. Она состоит из центробежного насоса 1 с электродвигателем, всасывающего трубопровода 2 с обратным клапаном, напорного трубопровода 3 с задвижкой 4, напорного резервуара и контрольно-измерительной аппаратуры 5, 6 и 9-11.

6

Рисунок 1.3 - Схема лабораторного стенда для испытания центробежного насоса

Контрольно-измерительная аппаратура служит для замера подачи (диафрагма 5 и ртутный дифференциальный манометр 6), давления на выходе из насоса (манометр 7), вакуума на входе в насос (вакуумметр 8), крутящего момента на валу насоса (балансирный электродвигатель с рычагом 9 и весами 10) и частоты вращения вала электродвигателя (тахометр11).

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных:

1.Обратиться к программе “HYMLAB.EXE”, войти в главное меню и выбрать выполняемую лабораторную работу. Войти в меню настройки лабораторной установки, ознакомиться с информацией по лабораторному стенду и произвести выбор постоянных параметров лабораторной установки или марки испытуемых гидравлических машин.

2.Установить начальное положение задвижки и при заданном режиме работы насоса, когда (Q = 0), снять показания дифференциального манометра 6, манометра 7, вакуумметра 8, весов 10 и тахометра 11.

3.Создать не менее восьми различных режимов работы насоса с помощью задвижки 4, обеспечивая различную подачу вплоть до Qmax. При каждом режиме снимать показания приборов, перечисленных в п. 2. Результаты замеров записать в таблицу 1.1.

4.Используя результаты измерений, полученные опытным путем, вычислить параметры, необходимые для построения напорной и энергетической характеристик насоса:

7

Таблица 1.1 - Протокол результатов измерений и вычислений

Контрольные вопросы

1.Что называется характеристикой насоса?

2.Что такое идеальная подача насоса подача, и как она определяется?

3.Что такое мощность насоса и полезная мощность?

4.Какие потери учитывает КПД насоса и его связь с другими КПД?

5.Как изменяются подача, напор и мощность насоса при изменении частоты вращения рабочего колеса?

9

Лабораторная работа № 2 Кавитационные испытания центробежного насоса

Цель работы:

1)убедиться на практике в существовании явления кавитации в центробежном насосе и уяснить причины ее возникновения;

2)освоить методику кавитационных испытаний центробежного насоса;

3)получить в результате испытаний кавитационную характеристику насоса.

Краткие теоретические сведения. Кавитацией называется образование и после-

дующее захлопывание в потоке жидкости парогазовых пузырьков, сопровождающееся непрерывными гидравлическими микроударами высокой частоты, большими давлениями и температурами в центрах захлопывания. При кавитации изменяется характеристика насоса, снижаются его технические показатели, возникают шум (треск, удары) и вибрация, происходит интенсивная эрозия поверхностей рабочих органов (лопастей, подвода). Кавитация ограничивает высоту всасывания насоса.

Кавитация возникает, когда абсолютное давление в потоке падает до давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. При этом из жидкости интенсив-

но выделяются пузырьки, заполненные парами жидкости и растворенными в ней газами (жидкость закипает).

Выделяющиеся из жидкости в местах пониженного давления пузырьки, заполненные паром, уносятся потоком и, попадая в область с повышенным давлением, конденсируются. При этом частицы жидкости, окружающие пузырьки пара, с весьма большими скоростями устремляются в пространство с повышенным давлением. Происходит схлопывание пузырьков, т.е. столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен и даже тысяч атмосфер. Если конденсация происходит у стенок каналов насоса, то материал стенок быстро разрушается. Причем в первую очередь разрушаются те места, в которых имеются микроскопические трещины на поверхности стенок. Например, из чугуна прежде всего выбиваются графитовые включения, а затем жидкость, действуя как клин, еще более интенсивно разрушает материал стенок, образуя на их поверхности значительные раковины.

Кроме того, материал стенок подвергается разрушению от химического воздействия воздуха богатого кислородом, и различных газов, выделяющихся из жидкости. Описанный процесс разрушения стенок каналов называется эрозией и является очень опасным следствием кавитации. Разрушение рабочего колеса вследствие кавитации показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Разрушение рабочих колес вследствие кавитации

10