gidravlika_52-78

52. При расчетах напорных трубопроводов основной задачей является либо определение пропускной способности (расхода), либо потери напора на том или ином участке, равно как и на всей длине, либо диаметра трубопровода на заданных расходе и потерях напора.

В практике трубопроводы делятся на короткие и длинные. К первым относятся все трубопроводы, в которых местные потери напора превышают 5…10% потерь напора по длине. При расчетах таких трубопроводов обязательно учитывают потери напора в местных сопротивлениях. К ним относят, к примеру, маслопроводы объемных передач.

Ко вторым относятся трубопроводы, в которых местные потери меньше 5…10% потерь напора по длине. Их расчет ведется без учета местных потерь. К таким трубопроводам относятся, например, магистральные водоводы, нефтепроводы.

53-54. Параллельное соединение трубопроводов характеризуется наличием точек разветвления трубопровода и определяется равенствами (9)

(9)

в которых Q₁, Q₂, …, Q_n – расходы жидкости в каждом из параллельно соединенных участков, h₁, h_n – потери напора на непараллельных начальном и конечном участках, Dh₂, Dh₃, …,Dh_n-1- потери напора на параллельных участках, причем Dh₂= Dh₃= … = Dh_n-1.

Таким образом, при параллельном соединении трубопроводов сумма расходов жидкостей в соседних участках равна расходу жидкости в неразветвленной части трубопровода, а потери напора на этих участках равны между собой.

55. Последовательное соединение трубопровода характеризуется равенствами (8)

(8)

где Q_n – расход жидкости n-ного участка, h_n – потери напора на этом участке.

Таким образом, при переходе от одного участка трубопровода к другому расход жидкости сохраняется, а суммарные потери напора в трубопроводе складываются из потерь напора на всех его участках. Если пренебречь местными потерями напора в точках соединения участков трубопровода, то величина напора H меняется непрерывно при переходе от одного участка к другому.

56.

58. Сжатие струи обусловлено необходимостью плавного перехода от различных направлений движения жидкости, в том числе от радиального движения по стенке к осевому движению в струе. Степень сжатия струи характеризуется коэффициентом сжатия ε, представляющим собой отношение площади сжатого поперечного сечения струи SС к площади отверстия:

(1)

Истечение через отверстие может происходить при постоянном или переменном напоре. Если истечение жидкости через отверстие происходит в атмосферу или другую газовую среду, то такое отверстие называется незатопленным. Если истечение жидкости через отверстие происходит под уровень жидкости, а не в атмосферу, то такое отверстие называется затопленным.

При истечении жидкости через отверстие различают полное и неполное сжатие струи.

Рис. 2.

Полное сжатие происходит тогда, когда струя сжимается по всему периметру (рис. 2а). Неполное сжатие – когда в определенной части периметра отверстия сжатие струи не происходит вследствие примыкания этой части периметра струи к стенке сосуда (рис. 2б).

Полное сжатие струи разделяется на совершенное и несовершенное.

Совершенным сжатием называется такое сжатие, при котором стенки не оказывают влияния на степень сжатия струи.

59. Малым называется такое отверстие, при расчете истечения через которое пренебрегают скоростью подхода жидкости и считают местные скорости жидкости во всех точках сжатого сечения практически одинаковыми, что наблюдается при d ≤ 0,1H, где d - диаметр отверстия, H -напор над центром отверстия.

Стенка считается в гидравлическом смысле тонкой, если ее толщина δ ≤ (2¸2,5)d. В этом случае толщина стенки не влияет на истечение жидкости и в расчет принимается только местное сопротивление, возникающее при сжатии струи. В частном случае края отверстия могут иметь заостренную форму (рис.1). Условия истечения жидкости в этих случаях будут совершенно одинаковыми: частицы жидкости приближаются к отверстию из всего прилежащего объема, двигаясь ускоренно по различным плавным траекториям. Струя отрывается от стенки у кромки отверстия и затем несколько сжимается. Узкое сечение С-С, в котором течение имеет параллельноструйный характер и кривизна тока незначительна, находится на расстоянии (0,5¸1)d от плоскости отверстия.

60-63. Насадком называют короткую трубку длиной (3¸4)d, прикрепленную к отверстию. Существуют следующие виды насадков: цилиндрические – внешний (рис. 3а) и внешний (рис. 3б); конические - сходящиеся (рис. 3в) и расходящиеся (рис. 3г); коноидальные (рис. 3д), диффузорные или комбинированные (рис. 3е)

Цилиндрический внешний насадок, называемый еще насадком Вентури, широко применяется на практике, например, в гидротехнических сооружениях. На практике такой насадок часто получается в тех случаях, когда выполняется сверление в толстой стенке и не обрабатывается входная кромка. Истечение через такой насадок показано на рис. 3а. При входе жидкости в отверстие насадка вследствие изгиба линий токов происходит сжатие струи и на некотором расстоянии от входа в насадке образуется замкнутая отрывная зона. Затем струя постепенно расширяется до размеров отверстия и из насадка выходит полным сечением. Если струя истекает в среду с атмосферным давлением, то в зоне сжатия струи устанавливается (согласно уравнению Бернулли) абсолютное давление меньшее атмосферного, то есть вакуум, так как скорость истечения из насадка меньше скорости в сжатом сечении С-С. Вакуум можно замерить жидкостным вакуумметром, подключенным к сжатой зоне струи (рис. 3а), причем

Цилиндрический внутренний насадок (рис. 3б) имеет большие гидравлические сопротивления, что приводит к уменьшению коэффициентов скорости и расхода:

Конические сходящиеся насадки (рис. 3в) применяются для увеличения дальнобойности истечения (пожарные брандспойты, гидромониторы, фонтаны, эжекторы).

Оптимальный угол конусности 13О24’.

Конические расходящиеся насадки (рис. 3г) применяются в случаях, когда нужно за счет уменьшения скорости значительно увеличить давление, например, в реактивных гидротурбинах, центробежных насосах и др. Оптимальное значение угла конусности 5 – 7О. В коническом расходящемся насадке сжатие струи и вакуум больше, чем у цилиндрического внешнего. Потери энергии на внезапное расширение в нем значительно больше потерь в других насадках, что ведет к уменьшению коэффициентов скорости и расхода (коэффициент расхода определяется относительно площади выходного отверстия насадка).

Коноидальный насадок (рис. 3д) имеет входную часть, выполненную по форме струи, что снижает потери и увеличивает коэффициенты скорости и расхода. Коноидальный насадок еще называется соплом.

Диффузорный насадок (рис. 3е) представляет собой комбинацию коноидального насадка (сопла) и диффузора. Приставка диффузора к соплу влечет за собой снижение давления в узком месте насадка, а, следовательно, увеличение скорости и расхода жидкости через него (увеличение расхода до 2,5 раз по сравнению с соплом).

Основные характеристики насадков при турбулентных режимах течения (ReИД ≥ 105) приведены в таблице 1.

Таблица 1

№	Тип насадка	μ	φ	ε	ξ
1	Малое отверстие круглого сечения в тонкой стенке	0,62	0,97	0,64	0,065
2	Цилиндрический внешний насадок	0,82	0,82	1,0	0,5
3	Цилиндрический внутренний насадок	0,71	0,71	1,0	1,0
4	Конический сходящийся насадок	0,94	0,96	0,98	0,075
5	Конический расходящийся насадок	0,5	0,5	1,0	3,5
6	Коноидальный насадок	0,98	0,98	1,0	0,04

Непрерывно увеличивать расход жидкости через насадки нельзя, так как с ростом расхода увеличивается скорость в сжатом сечении и, как следствие этого, уменьшается давление. Если абсолютное давление при этом достигает значения, равного упругости насыщенных паров протекающей жидкости при данной температуре, то в данном сечении наступает интенсивное парообразование и выделение растворенных в жидкости газов, то есть местное кипение жидкости.

В расширяющейся части струи скорость падает, давление растет и кипение жидкости прекращается (выделившиеся пары конденсируются, а газы постепенно растворяются). Так как объем образовавшейся при конденсации жидкости значительно меньше объема, который занимал пар, то в образовавшуюся пустоту устремляется с большой скоростью жидкость, окружающая объемчик пара. Двигающиеся навстречу друг другу частицы жидкости соударяются, образуется гидравлический удар, то есть местное повышенное давление. Такое явление называется кавитацией. Кавитация сопровождается характерным шумом и эрозионным разрушением стенок канала, а также снижением пропускной способности гидравлических систем, так как часть поперечного сечения канала занимает выделившийся пар и растворенные в жидкости газы.

64. Водослив — перегораживающая поток часть гидротехнического сооружения, через которую происходит перелив жидкости с одного уровня на другой. Водосливы имеют широкое применение в гидротехнике, а также в гидрометрии, где используются для измерения расходов воды. Теория водослива лежит в основе гидравлического расчета плотин и многих видов водоспусков.

По профилю водосливной стенки все водосливы можно разделить на три типа:

• водосливы с тонкой стенкой

• водосливы практических профилей

• водосливы с широким порогом

По характеру сопряжения струи с нижним бьефом водосливы подразделяются на незатопленные, когда уровень воды в нижнем бьефе не влияет на расход водослива, и затопленные, когда уровень нижнего бьефа оказывает влияние на расход воды через водослив, обуславливая его снижение. По расположению порога в плане различают:

• прямые водосливы, расположенные нормально к оси потока

• косые водосливы, расположенные под углом к оси потока

• боковые водосливы, расположенные параллельно оси потока

По форме выреза в стенке водосливы с тонкой стенкой подразделяются на

• прямоугольные

• треугольные

• трапецеидальные

• криволинейные (параболические и радиальные)

Гидрометрические водосливы наиболее часто устанавливаются на небольших водотоках, а также в лабораторных условиях. Использование водослива позволяет повысить точности гидрометрических измерений по сравнению с другими методами, в частности, вычисления расхода воды методом «скорость-площадь» при измерении скорости потока гидрометрической вертушкой.

При определении расхода воды через незатопленный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия применяется формула:

где Q — расход воды [м³/c], Mo — коэффициент расхода, b — ширина [м], g — ускорение свободного падения[м/с²], H — напор [м]

65. Водосливы с широким порогом – это сооружения, на гребне которых при переливе образуется участок с плавно из­меняющимся движением. Такой характер истечения наблюдается при δ/ H >(2÷3)

По условиям сопряжения с нижним бьефом водосливы делят­ся на неподтопленные, ко­гда отсутстзует влияние уровня нижнего бьефа на истечение че­рез водослив, и подтоплен­ные, когда характеристики по­тока, переливающегося через во­дослив, меняются с изменением уровня воды в нижнем бьефе.

По характеру стеснения пото­ка различают водосливы плоские или без бокового сжатия, когда поток стесняется только в вертикальной плоскости на высоту порога Р, и водосливы пространственные или с боковым сжатием, когда поток, кроме того, стесняется еще и в плане (с ширины В на подходе к водосливу до ширины водосливного отверстия b). К водосливам относят также соору­жения, не имеющие порога (Р = 0), а стесняющие поток только в плане (малые мосты, трубы).

66. Водосливы с тонкой стенкой характеризуются отры­вом от гребня переливающейся через порог струи. Это происхо­дит в том случае, если гребень имеет заостренную форму или толщина стенки с плоским горизонтальным гребнем относительно мала δ/ H <0,67

67. Водосливы практического профиля по форме по­перечного сечения порога могут быть криволинейными (безвакуумные, вакуумные) или поли­гональными (прямоугольные, трапецеидальные). Относительная толщина стенки водосливов этого ти­па 0,67≤ H ≤ (2÷3). Занимают промежуточное положение между водосливами с тонкой стенкой и водосливами с широким порогом.

68. В основе работы гидротарана лежит так называемый гид­равлический удар — резкое повышение давления в трубо­проводе, когда поток воды мгновенно перекрывается зас­лонкой. Всплеск давления может разорвать стенки трубы, и, чтобы избежать этого, краны и вентили перекрывают поток постепенно.

В период разгона (рис.) при кратковременном открытии клапана 4 (вручную) в подводящей трубе 6 под действием подпора создаётся поток воды со средним расходом Q, который сбрасывается через этот клапан. Когда силовое воздействие воды уравновесит вес клапана, он поднимается. Быстрое закрытие клапана 4, а следовательно внезапная остановка воды, вызывает гидравлический удар. Резкое повышение давления открывает клапан 5, через который выходит некоторое количество воды со средним расходом q < Q. В рабочем периоде вода по трубопроводу 2 поступает в верхний бак 1, преодолев напор H > h. Сжатый воздух, находящийся в напорном колпаке 3, выравнивает подачу воды по трубопроводу. В конце второго периода давление в клапанной коробке становится немного меньше, поэтому клапан 5 закрывается, а клапан 4 открывается, что обеспечивает автоматическое повторение цикла. Кпд Г. т. зависит от напора и для соотношения

(рис.) равен 0,92, а для

составляет 0,26.

69. Гидравлическим ударом называется резкое повышение давления в трубопроводе при внезапной остановке движущейся жидкости. Гидравлический удар может иметь место при быстром закрывании различных запорных устройств (задвижек, кранов), при внезапной остановке насоса перекачивающего жидкость, и т.д.

Если быстро закрыть установленный на трубопроводе кран, то слой жидкости, находящийся непосредственно у крана, останавливается. При этом кинетическая энергия частиц жидкости превращается в потенциальную и давление быстро возрастает. В результате происходят сжатие ближнего к крану слоя жидкости и деформация трубопровода.

В следующий момент остановится соседний слой, затем последующий и так по всей длине трубопровода.

Таким образом, жидкость в трубе останавливается не мгновенно, а через некоторый промежуток времени, который определяется соотношением

Dt= L/C,

где L – длина трубопровода, C – скорость распространения ударной волны.

В момент остановки последнего слоя жидкости (в точке А) или в момент достижения ударной волны входного сечения трубопровода вся жидкость в трубопроводе окажется сжатой, скорости частиц жидкости равны нулю, а давление имеет максимальное значение. При этом через время Dtв точке А давление жидкости слева меньше, чем справа. В этих условиях равновесие жидкости нарушается, и она начинает перемещаться из трубопровода в резервуар, а давление в трубопроводе понижается. Через время Dtдавление в трубопроводе станет меньше, чем было до закрытия крана, и жидкость из резервуара снова начнет перемещаться в трубопровод. Вследствие действия внутренних сопротивлений колебания давления в трубопроводе будут затухающими.

Давление жидкости при гидравлическом ударе определяется по формуле Н.Е. Жуковского

Dp=Crv,

где r-плотность жидкости.

Для чугунных и стальных водопроводных труб скорость распространения ударной волны принимается 1000-1400 м/с.

Из формулы следует, что при скорости воды в трубе v =1 м/с, в момент резкого перекрытия трубы давление в ней возрастет на величину, равную 100-140 кПа.

70. Для предотвращения разрушения гидравлических систем применяются различные конструктивные устройства. Основными из них являются винтовые запорные устройства, предохранительные клапаны и воздушные колпаки.

71. Н.Е.Жуковский предложил, в частности, формулу для определения минимального времени необходимого для закрывания запорного устройства, чтобы избежать или снизить эффект гидроудара до минимума:

Lv

t ≥ ---------,

75p

где L – длина трубы, сажени;

v – скорость воды, футы/секунду;

р – максимально допустимое давление, атмосферы.

72. В современных трубопроводных сетях все большее предпочтение отдается полимерным трубам. Следует отметить, что материалы пластмассовых трубопроводов имеют различные характеристики, и по-разному реагируют на гидроудар. Проектировщикам необходимо консультироваться с производителями пластмассовых труб относительно их продукции и способности этих труб выдерживать пики давления, возникающие при гидроударе. Например, полиэтиленовые трубы можно применять для кратковременных волн давления, значительно превышающих проектное давление, поскольку трубы обладают способностью увеличивать прочность при кратковременных нагрузках. При одинаковых условиях пики давления в полиэтиленовых трубах значительно меньше, чем пики давления в жестких трубах, что объясняется высокой пластичностью полиэтилена. Например, для одной и той же жидкости при одинаковом изменении скорости пик давления в полиэтиленовом трубопроводе приблизительно на 50 % меньше, чем в трубе из поливинилхлорида и на 65 % – из стеклопластика. Однако, если мы имеем дело с трубопроводами, в которых часто или постоянно наблюдается эффект гидроудара, то необходимо принимать во внимание характеристики усталостной прочности материала пластмассовых труб. Если же в трубопроводе наблюдаются частые циклические пики давления (гидроудары), рабочее давление в системе должно включать и значение скачка давления при гидравлическом ударе.

73. Под насосами в общем случае понимают энергетические машины или установки, которые для перемещения перекачиваемой среды (жидкой, твердой и газообразной) при статическом или динамическом воздействии увеличивают ее давление или кинетическую энергию. Насосы по принципу действия подающего элемента подразделяют на насосы возвратно-поступательного действия, роторные и динамические.

НАСОСЫ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Насосы с возвратно-поступательным движением поршня.Перемещение жидкости происходит в результате осевого двиижения поршня или мембраны в цилиндре насоса, который через всасывающий и нагнетательный клапаны периодически соединяется с подводящим и напорным трубопроводами. При увеличении рабочего объема насоса вследствие движения поршня или мембраны жидкость всасывается через всасывающий клапан или вентиль, а при обратном ходе поршня из-за уменьшения рабочего объема через нагнетательный клапан или вентиль вытесняется в напорный трубопровод.

По виду вытеснителя насосы подразделяют на поршневые и мембранные

РОТОРНЫЕ НАСОСЫ

Роторные насосы работают главным образом по принципу вытеснения, причем один или несколько вращающихся поршней или винтов образуют друг с другом в цилиндре насоса рабочие полости, причем размеры полости всасывания наибольшие, а наапорной полости - наименьшие; поэтому жидкость из полости всасывания и выталкивается в напорную полость. Однако некоторые роторные насосы имеют постоянные рабочие полости (объем вытеснения) как на входе, так и на выходе.

ДИНАМИЧЕСКИЕ НАСОСЫ

В отличие от поршневых и роторных эти насосы работают по динамическому принципу. В результате вращения рабочих колес внутри рабочего пространства насоса кинетическая энергия от рабочего колеса передается перекачиваемой жидкости, которая в последующих элементах (диффузоре, направляющем аппарате, спирали) в большей части преобразуется в энергию давления.Классификация динамических насосов.

По принципу действия насосы прежде всего подразделяют на лопастные и вихревые. Если лопастной насос не обладает, как правило, свойством самовсасывания, то вихревой - обычно работает по принципу самовсасывания. Кроме того в вихревых насосах в подавляющей степени происходит непрямой обмен энергии между вторичным потоком жидкости, находящейся в рабочем колесе, и перекачиваемой жидкостью в боковом канале корпуса насоса.

74. Центробежный насос — насос, в котором движение жидкости и необходимый напор создаются за счёт центробежной силы, возникающей при воздействии лопастей рабочего колеса на жидкость.

Внутри корпуса насоса, который имеет, как правило, спиральную форму, на валу жестко закреплено рабочее колесо. Оно, как правило, состоит из заднего и переднего дисков, между которыми установлены лопасти. Они отогнуты от радиального направления в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса. С помощью патрубков корпус насоса соединяется с всасывающим и напорным трубопроводами.

Если корпус насоса полностью наполнен жидкостью из всасывающего трубопровода, то при придании вращения рабочему колесу (например, при помощи электродвигателя) жидкость, которая находится в каналах рабочего колеса (между его лопастями), под действием центробежной силы будет отбрасываться от центра колеса к периферии. Это приведёт к тому, что в центральной части колеса создастся разрежение, а на периферии повысится давление. А если повышается давление, то жидкость из насоса начнёт поступать в напорный трубопровод. Вследствие этого внутри корпуса насоса образуется разрежение, под действием которого жидкость одновременно начнёт поступать в насос из всасывающего трубопровода. Таким образом, происходит непрерывная подача жидкости центробежным насосом из всасывающего в напорный трубопровод.

Центробежные насосы бывают не только одноступенчатыми (с одним рабочим колесом), но и многоступенчатыми (с несколькими рабочими колесами). При этом принцип их действия во всех случаях остается таким же, как и всегда. Жидкость будет перемещаться под действием центробежной силы, которая развивается за счёт вращающегося рабочего колеса.

75. КПД насоса зависит от коэффициента быстроходности ns, режима работы, конструктивного исполнения. При оптимальном режиме работы КПД крупных насосов может достигать 0,92, а малых — около 0,6-0,75.

Давлению (низкого давления — до 0,2 МПа, среднего — от 0,2 до 0,6 МПа, высокого давления — более 0,6 МПа)

76. Абсолютное давление при входе в рабочее колесо насоса должно быть больше упругости насыщенных паров перекачиваемюй жидкюсти при данной температуре. Если это условие не соблюдено, начинается парообразование, уменьшается производительность насоса; в конце концов происходит разрыв потока жидкости, и насос перестает подавать жидкость.

Работа насоса с момента начала парообразования протекает в тяжелых условиях. При длительной работе насоса в таких условиях рабочее колесо разрушается.

Явления, происходящие в насосе при парообразовании в начальной стадии и вплоть до прекращения (срыва) работы, имеют общее название кавитации.

Кавитация уменьшает КПД, напор и производительность насоса. При сильном развитии кавитации центробежный консольный насос полностью прекращает работу (срывает подачу). Длительная работа насоса при наличии даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима. Особенно сильно при кавитации повреждаются детали насосов, если перекачивается вода, содержит твердые включения.

От действия кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми и губчатыми, что способствует быстрому истиранию деталей содержащимися в жидкости включениями. В свою очередь твердые частицы, истирая поверхности деталей, содействуют усилению кавитации.

Особенно сильно кавитационному разрушению подвержены чугун и углеродистая сталь. Наиболее устойчивы в этом отношении насосы из нержавеющей стали и бронзы.

77. Иногда возникает ситуация, когда один насос не в состоянии обеспечить необходимого расхода жидкости, либо экономически выгодно или конструктивно приемлемо использование нескольких агрегатов. В таких случаях используют насосы, соединенные параллельно, или последовательно.

Параллельным соединением называют такую коммутацию, при которой несколько насосов осуществляют подачу в один общий напорный коллектор или нагнетательный трубопровод. При этом насосы могут быть расположены на значительном удалении друг от друга и сообщаться только путем коммуникаций. В таких коммуникациях расчет осложняется необходимостью учитывать гидравлические потери в трубопроводе, соединяющем насосы. При подборе насосов для параллельной работы следует учитывать множество факторов, наиглавнейшим из которых является т.н. равенство напоров. Т.е. включаемые по параллельной схеме насосы в идеале должны иметь одинаковые напоры и подачу, в противном случае один из агрегатов, имеющий меньшие характеристики, будет вынужден преодолевать сопротивление давления напорного трубопровода, вследствие чего его КПД будет постепенно снижаться и в определенный момент станет равным нолю, т.е. он будет работать "в холостую".