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

пусковые и температурные характеристики (см. § 22—25). Вопросы, связанные с анализом эффективности различных схем силовых гидро­ приводов, рассмотрены в § 17 и 18.

Общие рекомендации по повышению экономической эффектив­ ности судовых силовых гидроприводов сводятся к следующему. Степень экономической эффективности гидромашин и гидроприводов в комплексе возрастает с увеличением параметров режима. С этой целью следует стремиться использовать гидроприводы при воз­ можно больших давлении, частоте вращения и полном использова­ нии рабочего объема гидромашин. Повышение вязкости рабочей

Рис. 59. Относительное изменение моторесурса агрегатов в гидроприводах различных схем.

жидкости в достаточно широком диапазоне (примерно до 25—30° Е) также способствует росту к. п. д. гидропривода. Предпочтение сле­ дует отдать гидроприводам с объемным регулированием гидромашин. Схемы с дроссельным регулированием можно рекомендовать для гидроприводов малых мощностей (до 10— 15 кВт) периодического действия.

Вопросы, связанные с влиянием режима работы на моторесурс, рассмотрены в § 10. На рис. 59 показано относительное изменение моторесурса агрегатов гидроприводов различных схем в зависимости от режима работы. Из рисунка видно, что со снижением скоростного режима располагаемый моторесурс возрастает.

более нагружены и, следовательно, обладают меньшим резервом Тгм на частичных нагрузках. Следовательно, путем правильного выбора режима работы фактический моторесурс гидромашин и гидропривода в целом можно существенно увеличить по сравнению со спецификационным.

Вопросы, связанные с влиянием режима работы на виброаку­ стику, рассмотрены в § 11. На рис. 60 показано относительное

217

изменение общего уровня воздушного шума агрегатов различных схем в зависимости от режима работы. Видно, что на всех режимах виброакустическая активность существенно возрастает с увеличе­ нием скоростного режима. В этом отношении наименее благоприятны схемы, обеспечивающие режим N = const, когда агрегаты работают во всем диапазоне регулирования в наиболее напряженных условиях при наибольших давлении и параметре регулирования).

О 0,25 0,5 0,75 1 пм 0 0,25 0,5 0,75 1пм 0 0,25 0,5 0,75 1 пм

Рис. 60. Относительное изменение виброакустической активности в гидропри­ водах различных схем.

Массы и габариты гидромашин одного типоразмерного ряда ха­ рактеризуются их удельным объемом <7ГП и в первом приближении могут быть определены из выражений

Ge — СвЯі и Vі ' Cyq( ,

где Сс и Су— коэффициенты размерности, определяемые по спецификационным данным массы и объема гидромашин соответству­ ющего размера (і).

Следовательно, удельная масса и занимаемый гидромашиной

(для схем, рассмотренных в § 17,— это режим при максимальной частоте вращения мотора п'к <ГП)).

В относительных единицах

Gt = Vt = qt; Кв = К у = r, l - -

218

ющие абсолютные и удельные массо-габаритные параметры основных агрегатов, составляющих гидроприводы типовых схем (см. § 17). Из сравнения данных параметров видно, что схемы, обеспечивающие N = const, обладают большей удельной массой, которая с увеличе­ нием диапазона регулирования возрастает. Схемы с регулируемыми гидромоторами не обеспечивают выигрыша в массо-габаритных параметрах, а в ряде случаев ухудшают их (схемы III, IV в режиме

М = const).

На основании изложенного можно сделать следующие выводы. Повышение к. п. д. гидропривода, а также улучшение его массогабаритных параметров достигается повышением удельной мощности или форсированием рабочего процесса преимущественно посредством регулирования рабочих объемов гидромашин. Вместе с тем изменение рабочего процесса в указанном направлении ведет к сокращению располагаемого гидроприводом моторесурса и повышению виброаку­ стической активности, ухудшающим указанные характеристики ги­ дроприводов. Параметры рабочего процесса оказывают неравно­ ценное и, в ряде случаев, противоположное влияние на основные характеристики гидроприводов. Путем соответствующего выбора схемы и режима работы можно улучшить отдельные спецификационные характеристики гидроприводов и довести их до определенных требований, даже если они при спецификационных параметрах режима не удовлетворяли этим требованиям.

Приведенные обобщения и рекомендации являются наиболее общими. Btkiop судовых силовых гидроприводов часто определяется не только конкретными требованиями и условиями эксплуатации, но и составом гидромашин, который может быть выбран проектан­ том из числа серийно выпускаемых промышленностью.

219

Немалое значение придается экономическим соображениям. Иногда ни один из возможных вариантов не имеет решающих пре­ имуществ перед другим. В этом случае существенную роль приоб­ ретают опыт и традиции, сложившиеся у проектанта в области создания гидроприводов определенного назначения. Однако во всех Случаях на соответствующих стадиях проектирования необходимы всесторонние расчетные исследования, которые дают возможность произвести объективную оценку ожидаемых характеристик и опре­ делить целесообразные пути создания гидропривода.

ГЛА В А

VI

ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

ИВОПРОСЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ

§29

П а р ам етр иче ские ряды ги д р о э н е р ге ти ч е с к и х п ар ам етро в

к а к основа с та н д а р ти з а ц и и

При выполнении гидроэнергетических расчетов — важнейшей стадии проектирования судовых гидроприводов —• необходимо вы­ полнение основных условий стандартизации:

—спецификационные гидроэнергетические параметры, прини­ маемые при проектировании судовых гидроприводов, необходимо выбирать из параметрического ряда, принятого для судовых силовых гидроприводов;

—принципиальные схемы гидроприводов, как правило, должны быть подобраны из числа типизированных, наиболее полно удовлетво­ ряющих совокупности всех требований технического задания;

—выбор гидромашин целесообразно производить из числа се­ рийно выпускаемых промышленностью для судостроения, удовлетво­ ряющих заданным характеристикам и выбранным спецификационным параметрам;

—при отсутствии в серийном выпуске гидромашин с необходи­

мыми характеристиками разработку новых нужно осуществлять по принятому в судостроении параметрическому и типажному ряду.

Гидромашина должна удовлетворять общим требованиям судостроения и быть пригодной для широкого использования во всех типовых судовых гидроприводах. Создание для судостроения гидромашин и гидроприводов, не удовлетворяющих параметрическим и типажным рядам, должно рассматриваться как исключение;

— все гидроэнергетические и конструктивные расчеты гидро­ машин и гидроприводов должны выполняться по единым апроби­ рованным методикам.

220

Таким образом, основу стандартизации составляют параметри­ ческие ряды и единые методы проектирования. Опыт судовой гидро­ фикации выявил необходимость создания гидрооборудования двух основных групп: нормального, или широкого, использования и облегченного, предназначенного для СПК и легких быстроходных судов новых типов [7], гидрооборудование которых может иметь меньший моторесурс.

В целях максимальной унификации гидрооборудования обеих групп основные его типы должны быть конструктивно общими и отличаться только рабочими параметрами (главным образом, уров­ нем давления и частотой вращения), определяющими моторесурс. Для облегченного гидрооборудования можно установить более вы­ сокие параметры, обеспечивающие меньшие удельные габариты и массу. Таким образом, для гидрооборудования (в том числе и гидро­ машин) обеих групп параметрические ряды могут быть едиными. Они определяют типаж гидромашин на основе размерного ряда, нагрузочные режимы, гарантийный моторесурс и другие гидроэнер­ гетические и конструктивные параметры: N—М; Q; q—d\ п\ р\ Т.

Между данными параметрами существует связь. Совместить параметрические ряды по всем приведенным величинам практи­ чески невозможно, поэтому их следует разделить на обязательные и рекомендуемые.

Рассмотрим возможные и рекомендуемые для судовых силовых гидроприводов системы параметрических рядов:

которым выбирается судовой гидропривод, определяется его состав и первичные двигатели. Ряды данных параметров обусловливают мощностной диапазон судовых гидроприводов, интервалы между типоразмерами гидромашин в ряду и, таким образом, общее количе­ ство типоразмеров. В практике судового машиностроения мощность как параметр применяется для характеристики быстроходных меха­ низмов длительного использования (насосы, быстроходные гидромо­ торы), крутящий момент— для характеристики тихоходных .(мало­ оборотных) механизмов периодического использования (высоко­ моментные моторы). Эту специфику следует сохранять и рекомендо­ вать ряд NrMдля быстроходных гидромашин и ряд Мы для высокомоментных моторов.

В некоторых отраслях промышленности гидромашины выпускают по рядам действительных значений мощности и крутящего момента, т. е. значениям, учитывающим также, потери. Недостаток системати­ зации по действительным параметрам в том, что величина к. п. д. переменна, зависит не только от режима работы или вязкости рабо­ чей жидкости, но и от изношенности или совершенства гидромашины. Теоретические значения мощности и крутящего момента выше их действительных значений в зависимости от к. п. д. Следовательно, параметрический ряд, построенный по теоретическим значениям,

221

чения N CM и Мм можно отнести к числу основных параметров систе­ матизированных рядов, которым должны быть подчинены другие ряды.

При определении ряда N rMнеобходимо учитывать, что в судострое­ нии существует параметрический ряд на электродвигатели, с кото­ рыми комплектуется гидропривод. Соответствие данных рядов позво­ лит создавать гидроприводы с наиболее полным использованием мощностных возможностей не только электронасосных, но и дизельнасосных агрегатов, так как генераторные режимы судовых дизелей (при п = const) также соответствуют по мощности и частоте враще­ ния принятым для судовых электромашин.

Соответствие мощностных рядов гидравлических и электрических машин должно способствовать унификации многих судовых меха­ низмов, приводы которых могут быть как гидравлическими, так и электрическими. Судовые силовые электромашины, обслуживающие общие с гидроприводом механизмы, создаются по ряду предпочти­ тельных чисел RIO. Учитывая большие возможности варьирования выходных параметров гидропривода, его способность к регулирова­ нию в широком диапазоне, эффективное совместное использование можно осуществить • гидромашинами, унифицированными по ряду R5. Опыт развития гидроприводов показал, что ряд R5 в полной мере удовлетворяет потребностям судового машиностроения. Уменьше­ ние ряда предпочтительных чисел оправдано также экономической целесообразностью.

Таким образом, для судовых быстроходных гидромашин широкого использования можно рекомендовать следующий ряд по мощности: 6,3— 10— 16—25—40—63— 100—250—400—630 кВт, для судовых вы-

сокомоментных тихоходных моторов — ряд по крутящему моменту: 250—400—630— 1000— 1600—2500—4000—6300 кгс • м.

2. Система Q — производительность (для насоса) или расход (для мотора) гидромашины. Данное значение достаточно полно характеризует один из главных статических параметров гидрома­ шины, по которым, например, ведется выбор насосов для судовых гидроприводов. Параметрический ряд Q можно построить по при­ нятому ряду N. При р = const для унифицированного ряда Q =

= CN. Следовательно, при данном определении ряд Q подчиняется одному с N ряду предпочтительных чисел (в данном случае R5). Данный ряд может быть определен так же, как Q = qn (при г = 1). Следовательно, если исходной системой параметрических рядов будет принята не N, то закономерности изменения в ряду могут быть иными. По опыту отработки судовых гидроприводов ряд R5 в наи­ более полной мере отвечает потребностям судостроения.

В данной системе, как и в системе N , рекомендуется теоретиче­ ское значение Q, хотя некоторые типы насосов в промышленности выполняются по ряду действительных значений. Как отмечалось, система действительных значений не имеет постоянства из-за объем­ ных потерь и не стимулирует совершенствование конструкции. Общий недостаток системы заключается в том, что она недостаточно универсальна, так как не характерна для гидромоторов.

222

Для судовых гіідромдційн рекомендуется следующий ряд R5 Предельных значений производительностей— расходов (л/мин):

— для быстроходных насосов и моторов (32-40)—(50-63)— ■ (80-100)—(125-160)—(200-250)—(320-400)—(500-630)—(800-1000);

•— для высокомоментных моторов (200-250)—(320-400)— (500-630)—(800-1000)—(1250-1600).

3. Система q—d — объемная, или геометрическая, постоянная и диаметр поршней гидромашин, характеризующие их рабочий объем. Согласно ГОСТ 13824—68 в качестве главного параметра объемных поршневых гидромашин принят максимальный рабочий объем за один оборот вала q.

= / (d2). Выбор в качестве предпочтительной системы q или d во многом определяется типом поршневой гидромашины. Особенности компоновки радиально-поршневых гидромашин с внешним силовым копиром позволяют варьировать число цилиндров в широких преде­ лах — от 5—7 до 30—54 (за счет изменения числа цилиндров и рядов). Это дает возможность на одном размере поршня создать гамму гидромашин, перекрывающую широкий диапазон мощностей (кру­ тящих моментов), примерно до 1:5. Поэтому система d не является характерной для радиально-поршневых гидромашин и не исполь­ зуется в отечественной и зарубежной промышленности. Оптимальной для гидромашин данного типа является система q, определяющая суммарный удельный объем.

Особенности компоновки аксиально-поршневых гидромашин не допускают широкого варьирования числа цилиндров, которые в ги­ дромашинах данного типа, как правило, не превышают 5—9. Сле­ довательно, в гидромашинах данного типа изменения суммарного удельного объема в необходимом диапазоне можно добиться только варьированием диаметра поршней. Система d является характерной для гидромашин данного типа. Многие зарубежные фирмы (Констан­ тин Раух, Меннесмен-Мейер, Рексрот, Брюнингхауз), изготавлива­ ющие комплектное гидрооборудование, используют систему d, которую можно рекомендовать для судовых гидромашин аксиально­ поршневого типа и для силовых гидроцилиндров. Система d является производной от системы q. Поскольку параметр q как удельная геометрическая постоянная в унифицированном ряду гидромашин при постоянных значениях давления и частоты вращения характери­ зует общие энергетические параметры гидромашин, параметриче­ ский ряд q должен подчиняться ряду N и Q. Для судостроения реко­ мендован ряд R5. Знаменатель данного ряда равен 1,6. Поскольку

d = С Y Я> где С = l/|/0,784Sr£ = const, знаменатель системы d

223

По ГОСТ 13824—68 минимальное значение q принято равным 0,1 л/об. Из опыта развития судовых гидроприводов минимальная удельная постоянная должна быть ниже. Может быть рекомендован следующий ряд: 0,025—0,04—0,063—0,1—0,16—0,25—0,4—0,63— 1,0— 1,6—2,5—4,0—6,3— 10— 16—25—40 л/об.

Значения до 1,0— 1,6 л/об рекомендуются для быстроходных гидромашин, остальные—-для высокомоментных малооборотных моторов.

Таким образом, ряд системы d по опыту отечественной и зарубеж­ ной промышленности может быть следующим: 12— 16—20—25—32—• 40—50—63 мм.

Для гидрооборудования невращательного типа (главным образом, запорно-переключающей и управляющей гидроаппаратуры) анало­ гичной геометрической постоянной принимается dy — условный проход. Данный параметр в унифицированном ряду при постоянных значениях давления и скорости потока определяет передаваемую гидравлическую мощность, для которой рекомендован ряд R5.

у гидромашин, поэтому для параметра dy следует рекомендовать ряд

R10 со следующими значениями: 6—(8)— 10—(12,5)— 16—20—25— 32—40—50—63—80 мм. Значения dy 8 и 12,5 могут быть исключены из ряда и заменены ближайшими размерами.

Параметрические системы q—d геометрических постоянных так же, как и система Q, имеют тот недостаток, что не дают непосред­ ственной характеристики выходным статическим параметрам гидро­

эффективного использования гидромашин (с наибольшим к. п. д.), при которой гарантируются все основные параметры и характери­ стики. Она определяется опытным путем в период отработки гидро­ машин и устанавливается индивидуально для каждого типоразмера унифицированного ряда. Номинальная частота вращения гидрома­ шин не нормализуется, однако целесообразно, чтобы она была возможно близка к нормальной п%. Это создает условия для наиболее эффективного использования гидромашин в составе судовых меха­ низмов при безредукторном спаривании.

птах — максимальная частота вращения, допускаемая для раз­ личных условий использования гидромашины, обеспечивающая бескавитационный режим и необходимую надежность работы (см. § 23). Она индивидуальна для каждого типоразмера.

ятш — минимальная частота вращения, при которой возможна устойчивая работа гидромашины (см. § 23), устанавливается обычно единой для всего унифицированного ряда гидромашин. Из опыта

224

й потери в ней. Целесообразно, чтобы для гидромашин одного типаж­ ного ряда напряженность и гидравлические потери были постоян­ ными, что достигается при ѵп = const. Таким образом, для гидромащин одного ряда должно быть выдержано условие

п р"q я» const.

При принятом для высокооборотных гидромашин ряде номиналь­

ной частоты вращения условие п у q = const не может быть выдер­ жано. Постоянство скорости ѵп для типажного ряда в этом случае

можно сохранить при условии п у q = war, т. е. изменив сртах,

z, 2 — (угол между осями цилиндров).

Данное условие справедливо также и для радиально-поршневых гидромашин. Следовательно, если параметрический ряд q судовых гидромашин подчинен R5, имеющему знаменатель прогрессии 1,6, то их параметрический ряд частоты вращения должен изменяться

со знаменателем | / 1,6 «г 1,17. Условие п j/'q = const может быть выдержано для высокомоментных радиально-поршневых гидромоторов, не агрегатируемых с первичными двигателями.

С целью унификации частота вращения высокомоментных моторов должна подчиняться ряду предпочтительных чисел. Поскольку ГОСТ 8032—56 не имеет ряда со знаменателем 1,17, то можно принять ближайший (1,12 или 1,25 рядов R20 и RIO соответственно). Для су­ довых гидромашин данного типа унификацию частоты вращения предпочтительно выполнять по ряду R20, дающему меньший разброс значений п в пределах рекомендуемого ряда q.

Подчинять параметрическому ряду следует номинальную ча­ стоту вращения гидромашин. Максимальная частота вращения, которая для аксиальных и радиальных поршневых гидромашин может в 1,5—2,5 раза превышать номинальную, должна остаться «свободной», индивидуальной для групп или каждого типоразмера в зависимости от их особенностей. Это расширит диапазон использо­ вания гидромашин.

Существенное значение для гидромоторов имеет также минимально устойчивая частота вращения (см. § 23). Минимальная частота вра­ щения для судовых гидромашин силовых гидроприводов должна быть не более 1 : 10 максимальной [7]. Следовательно, минимальная устойчивая частота вращения высокомоментных гидромоторов при

щим для всех элементов гидравлического привода и систем, и оказывающее существенное влияние на надежность гидропривода и его моторесурс, а следовательно, на выбор нагрузочного режима. В параметрическом ряду унифицированного гидрооборудования следует устанавливать два предела давлений — номинальное и мак­ симальное. При номинальном давлении гидравлическое оборудо­ вание работает без ограничения в течение всего установленного

226