книги из ГПНТБ / Дубровский О.Н. Гидроэнергетические расчеты судовых силовых гидравлических приводов и систем

— при эксплуатации моторов, имеющих более высокое значение показателя ß2M;

— при использовании рабочих жидкостей с меньшей вязкостью. Рассмотренные выше процессы протекают в начальный период работы гидропривода. Когда же жидкость прогревается, рабочие характеристики гидропривода восстанавливаются до специфика-

ционных.

Эксплуатация судовых гидроприводов в зимнее время. Конструк­ тивное исполнение палубных гидроприводов, объединенных в судо­

величина рабочего давления и запас по пределу настройки предохра­ нительного клапана насоса по отношению к рабочему давлению при плюсовых температурах рабочей жидкости, скорость движения жидкости, длина, диаметр и искривленность (наличие местных сопротивлений) трубопроводов систем и особенно способ их прокладки (по палубе или под палубой).

В наиболее благоприятных условиях находятся палубные гидро­ приводы, насосная установка которых и основная часть трубопро­ водов системы размещены под палубой в отепленных помещениях; на палубу система выходит лишь в непосредственной близости от силового привода. При таком исполнении затруднен только пуск гидромотора (силового цилиндра). Продолжительность пускового режима определяется объемом масла, находящегося в гидромоторе и трубопроводах над палубой в зоне действия минусовых темпера­ тур. Обычно после двух-, трехкратного проворачивания (прогрева) устанавливается нормальный или близкий к нормальному рабочий режим гидропривода, который можно сохранить, если поддерживать непрерывную работу привода. При этих условиях гидроприводы можно нормально эксплуатировать при температуре наружного воздуха, близкой к температуре застывания рабочей жидкости и даже более низкой.

Для гидравлических приводов палубного размещения, когда все узлы и трубопроводы не защищены от воздействия наружных температур, важное значение в зимних условиях приобретает запас предела настройки предохранительного клапана по отношению к рабочему давлению в силовом приводе. В шпилях и палубных лебедках различного назначения с индивидуальными регулируемыми гидроприводами предел настройки предохранительного клапана обычно в 1,5—2 раза превышает рабочее давление. Гидроприводы этого типа после замедленного пуска могут нормально работать при вязкости рабочей жидкости 1000—1500 сСт (125—200° Е).

В гидравлических системах постоянного давления предел на­ стройки предохранительного клапана превышает нижний рабочий уровень давления, как правило, не более чем на 20—25%. В этом случае при палубном размещении всей системы силовые приводы могут нормально функционировать без существенного снижения скорости при вязкости рабочей жидкости 200—350 сСт (30—50° Е). При значительном снижении скорости приводов гидравлические

187

системы палубного размещения практически могут работать при вязкости жидкости 1000— 1500 сСт (125—200° Е) и давлении насос­ ной установки 100— 150 кгс/см2. При меньшем давлении или более высокой вязкости (что соответствует более низкой температуре) включение силового привода в работу усложняется.

Особенности работы' индивидуальных регулируемых гидропри­ водов палубного размещения в зимнее время определяются возмож­ ностью запуска и нормального функционирования насоса перемен­ ной производительности.

В табл. 20 приведены результаты исследований, характеризую­ щие возможность эксплуатации индивидуальных гидроприводов с объемным регулированием типа ІІД в зимних условиях на различ­

ных маслах.

Т а б л и ц а 20

Результаты исследований работоспособности насосов ІІД в зимнее время на различных маслах

При работе на масле АУП запуск насоса ІІД (при запуске насос имеет «нулевую подачу») возможен при температуре масла —350° С (наружная температура —37° С). Давление, создаваемое вспомога­ тельным шестеренным насосом, долго не поднимается. Работа сопро­ вождается сильным гулом. При незначительном увеличении произ­ водительности давление сразу увеличивается до предела настройки предохранительных клапанов.

Нормальный запуск и работа насоса ІІД возможны при темпе­ ратуре масла АУ —30° С. Гидропривод работает без снижения тяги, скорости и времени реагирования на сигналы управления при температуре масла не ниже —'12° С. При наличии в масле АУП до 1 % морской воды несколько повышается температура нормального запуска и эксплуатации гидропривода, однако никаких особых явлений в работе гидропривода при испытании его при температуредо —24° С не обнаруживается. Нормальный запуск и эксплуатация на масле ГМ-50И возможны при значительно более низких темпера­ турах (до —55° С).

188

Опыт показывает, что если на минеральных маслах типов АУ и ГМ-50И нормальный запуск индивидуального гидропривода с объ­ емным регулированием может быть осуществим при вязкости 1800— 6000 сСт (250—850° Е), то на синтетической жидкости БЗВ он воз­ можен только при вязкости 670 сСт (95° Е). Причина такой значи­ тельной разницы заключается в существенном различии физико­ химических свойств минеральных масел и синтетических жидкостей, не учитываемом показателем вязкости и другими стандартными пара­ метрами. Жидкость БЗВ имеет более высокие, чем АУ и ЕМ-50И, показатели по липкости, маслянистости, смачиваемости металлов, что вызывает повышенные гидравлические сопротивления и со­ кращает температурный диапазон применения жидкости в судовых гидроприводах.

§25

Тепловы е х а р а к те р и с ти к и

Тепловые расчеты судовых гидравлических приводов дают воз­ можность определить ряд параметров и характеристик, обеспечи­ вающих их надежную работу в заданных условиях эксплуатации. Основными из них являются:

— характеристики изменения температурного режима в течение рабочего цикла;

—максимально установившийся температурный режим;

—время, необходимое для прогрева гидропривода до рабочего состояния в зимних условиях;

—конструктивные и эксплуатационные условия, позволяющие

исключить маслоохладитель из состава гидропривода;

— тепловая мощность маслоохладителя, обеспечивающая нор­ мальный тепловой режим гидропривода.

Исходным в тепловых расчетах гидроприводов является уравне­ ние теплового баланса. Если все элементы гидропривода располо­ жены- в одинаковых температурных условиях, уравнение теплового

189

A t = іж — tB— температурный перепад в рассматриваемый мо­ мент времени, равный разности установившейся температуры рабочей жидкости и окружающего воздуха.

Интегрированием уравнения теплового баланса определяется температурный перепад при непрерывной работе гидропривода в течение времени т:

2 hFi

где At0— температурный перепад между рабочей жидкостью и окружающим воздухом в начальный момент времени.

Выражение для установившегося температурного перепада при длительной работе гидропривода, т. е. при т —>оо, принимает вид

Отсюда нетрудно определить время нагрева рабочей жидкости тнаг до заданной температуры tHar:

190

Это выражение можно использовать для определения времени, необходимого для прогрева гидропривода при подготовке его к дей­ ствию. Температура прогрева tnp определяется по вязкости рабочей жидкости, при которой обеспечиваются заданные характеристики

Если бак имеет достаточно большие размеры и обеспечивает эффективное охлаждение рабочей жидкости, то f * 0. Охлаждение

Ш

жидкости может происходить не только в маслобаке гидропривода, но и в участках магистралей и в гидромашинах, размещенных в ме­ стах с пониженной температурой окружающего воздуха, например

а в и а в — коэффициент теплоотдачи от стенок к воздуху соот­ ветственно конвекцией и излучением, ккал/(м2. ч>°С).

Величину 8/Х для типовых конструкций судовых гидроприводов, не оказывающую существенного влияния на коэффициент тепло­ передачи, из выражения (253) можно исключить:

В аналитической теории теплопроводности, а также в боль­ шинстве технических расчетов принята более упрощенная зависи­ мость теплообмена тел с окружающей средой: в соответствии с зако­ ном Ньютона удельный тепловой поток q* считается пропорциональ­ ным величине температурного напора:

Я* = ai = at (іж— ів),

где at —- коэффициент пропорциональности, связывающий темпера­ турный напор с удельным потоком тепла —- коэффициентом тепло­ отдачи.

Втепловых расчетах судовых гидроприводов коэффициенты тепло­ передачи принимают постоянными. Однако на а £ влияют такие фак­ торы, как температура поверхности тела и окружающей среды, ско­ рость и характер движения среды, размеры и конфигурация тела, термофизические параметры среды, состояние поверхностей тела, направление теплового потока и др. Теоретическое определение а; сложно и возможно прка в немногих случаях, поэтому большей частью прибегают к экспериментальным материалам. Трудности, возникающие в этом случае при решении практических задач, как правило, обусловлены тем, что реальные системы значительно отличаются от тех, которые служат объектом изучения в общей теории теплообмена.

Внастоящее время опытные данные по теплообмену, как правило, обрабатываются в критериях подобия. При этом следует пользо-

192

Ваться такими зависимостями, в которых учитывается большее число переменных, определяющих протекание действительного про­ цесса.

Расчет а ж при течении рабочей жидкости по трубопроводам и другим каналам гидроприводов в условиях охлаждения можно выполнять по следующим зависимостям в критериальной форме [18]:

Nu = 0,021 Re0'8 Pr0-43 ( _ ^ _ ) 0,25;

— для переходного режима при Re = 2000ч-10 000

Для рассматриваемого диапазона Re зависимость k хорошо аппроксимируется эмпирическим выражением

* « » 4 0 (1 -----

Тогда для режима при Re = 2000-^10 000

0,25

№'~40(1- ^ ) РгМ,( Д Н

Можно также записать

Для возможных режимов использования судовых гидроприводов А 0,7ч-0,8. Если принять среднее значение А = 0,75, то коэф­ фициент теплоотдачи рабочей жидкости в явной форме для ламинар­ ного режима получит выражение

Коэффициент теплоотдачи рабочей жидкости в явной форме для; турбулентного режима

4°'2ѵ0Д2ѵ°'25 '

В данных выражениях

V — скорость движения жидкости, м/с;

V — вязкость рабочей жидкости при температуре Т, К, потока, сСт;

ѵст — вязкость рабочей жидкости при температуре стенки канала

Температуру стенки /ст для определения вязкости можно прибли­

узлов гидроприводов воздухом можно выполнять по следующим критериальным зависимостям [15]:

— при Re = 10—103

Nu = 0,52Re°’% ;

— при Re = 103ч-2-105

Nu = 0,18Re°-%,

где бф — коэффициент, учитывающий снижение теплоотдачи при отклонении угла потока обдувающего воздуха (угла атаки Ѳ) от пря­ мого. Для приближения оценки можно принять 0,00625 (Ѳ + 80).

Тогда в явной форме для рассматриваемых диапазонов Re соот­ ветственно

I

1 9 4

760 мм рт. ст. от температуры [18] в диапазоне ее изменения ±50° С с погрешностью не более ±1 % можно аппроксимировать выражением

(клапаны, фильтры, гидромашины и другие элементы гидроприводов), для ориентировочного расчета а в можно принять d = d3K.

В ряде частных случаев для определения коэффициентов тепло­

где S x и S 3 — соответственно суммарные вертикальная и горизон­ тальная теплопередающие поверхности гидропривода, м3.

Коэффициент теплопередачи от стенок воздуху излучением ав можно определить по приведенной формуле лучистого теплообмена

[18]

(267)

Коэффициент а'в для судовых гидроприводов изменяется незна­ чительно и для всех случаев приблизительно равен 4,0 ккал/(м2. ч-°С).

Расчеты показывают, что коэффициент теплоотдачи рабочей жидкости ажпри ламинарном режиме для гидроприводов, располо­ женных в судовых помещениях (при плюсовых температурах воз­

гидроприводов, расположенных в судовых помещениях, возрастают до 800 ккал/(м2. ч-°С) и для палубных гидроприводов в зимнее время до 400 ккал/(м2.ч-°С). При турбулентных режимах значения коэффи­ циентов для гидроприводов внутри судового и палубного размещения возрастают до 2000 и 1000 ккал/(м2.ч-°С) соответственно.

Суммарный коэффициент теплоотдачи от поверхностей гидропри­ водов окружающему воздуху ав + «É при внутрисудовом размещении,

положительных температурах воздуха и скоростях обдува 0,5— 1 м/с

режиме значительно меньше возможных для судовых гидроприводов значений а в, не оказывает существенного влияния на коэффициент теплопередачи k, и им можно в расчетах пренебречь. Можно также

Величина тепловыделений Qr„ определяется мощностью, поте­

рянной в гидроприводе AN (Qrn = 860АА/), и зависит от эффектив­ ности гидромашин, особенностей принципиальной схемы и способа регулирования, учитываемых в к. п. д. гидропривода:

Q rn = 8 6 0 М н (1 — Т)гп)

где Cq --= 1,4 — 4mн

Наиболее полно влияние этих факторов на к. п. д. гидропривода отражено в формулах § 17, 18.

Для приближенных расчетов тепловыделений к. п. д. можно определять по упрощенным аппроксимирующим выражениям, да­ ющим результат с достаточной степенью точности для многих гидро­ энергетических расчетов при изменении нагрузки и частоты вращения мотора 1 : 3. Например, величина тепловыделений на режимах частичного использования в этом случае для гидропривода с объем­ ным регулированием по схеме II (см. § 17) определяется из выра­ жения

Qrn = c W MУ~гГы,

196