Кинематика и динамика жидкости

Виды движения жидкости. Основные понятия кинематики жид­кости: линия тока, трубка тока, струйка, нормальное сечение, расход. Поток жидкости. Средняя скорость. Уравнение расхода. Дифферен­циальные уравнения движения идеальной жидкости. Уравнение Бернулли для установившегося движения идеальной жидкости. Геометрическое и энергетическое толкование уравнения Бернулли. Уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости. Коэффициент Кориолиса. Общие сведения о гидравлических потерях. Виды гидравлических потерь. Трубка Пито, водомер Вентури.

Методические указания

Одним из основных уравнений гидродинамики является уравнение постоянства расхода (уравнение неразрывности), которое для плавно изменяющегося и параллельноструйного движения может быть пред­ставлено в виде (вдоль потока), откуда для двух сечений 1 и 2получим , т. е. средние скорости потока обратно пропорциональны площадям живых сечений.

Следует уяснить, что уравнение постоянства расхода справедливо только при соблюдении ряда допущений, на которых основан логиче­ский вывод этого уравнения.

Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости Эй­лера дают общую зависимость между скоростями и ускорениями движущихся частиц жидкости и силами, действующими на эти частицы. Интегрирование этих уравнений для элементарной струйки идеальной жидкости приводит к основному уравнению гидродинамики — уравне­нию Бернулли, которое можно получить также и непосредственно, при­менив к бесконечно малому объему жидкости теоремы механики, например, теорему живых сил.

Уравнение Бернулли представляет собой частный случай закона сохранения энергии. Все члены уравнения Бернулли отнесены к единице веса жидкости, поэтому все виды энергии в этом уравнении имеют линейную размерность. При рассмотрении уравнения Бернулли для простейшего случая движения элементарной струйки невязкой (идеаль­ной) жидкости следует уяснить геометрический и физический (энер­гетический) смысл уравнения в целом и его отдельных членов, а также обратить внимание на условия применимости уравнения Бернулли к элементарной струйке.

При распространении уравнения Бернулли для элементарной струй­ки на поток реальной жидкости возникает ряд трудностей, которые пре­одолеваются введением соответствующих ограничений и поправок. Уравнение Бернулли составляется для двух живых сечений потока, в которых течение параллельноструйное или плавно изменяющееся. Живые сечения здесь плоские, поэтому отсутствуют ускорения вдоль живых сечений, а из массовых сил действует только сила тяжести. Следовательно, в этих сечениях (участках) справедливы законы гид­ростатики, в частности постоянство гидростатического напора для всех точек живого сечения относительно любой плоскости сравнения. Между плавно изменяющимися течениями (участками) потока, связанными уравнением Бернулли, поток может быть и резко изменяющимся. При определении кинетической энергии потока по средней скорости в данном сечении вводится поправка в виде коэффициента Кориолиса , учи­тывающего неравномерность распределения скоростей по живому се­чению.

При решении практических инженерных задач уравнение Бернулли и уравнение постоянного расхода используются совместно. При этом они составляют систему из 2-х уравнений, позволяющую решать задачи с двумя неизвестными.

Если для струйки идеальной жидкости уравнение Бернулли пред­ставляет собой закон сохранения механической энергии, то для потока реальной жидкости оно является уравнением баланса энергии с учетом гидравлических потерь. Гидравлическими потерями называется работа сил трения, затраченная на перемещение единицы веса жидкости из одного сечения в другое. Энергия потока, израсходованная на работу сил трения, превращается в тепловую энергию и рассеивается в про­странстве.

Литература: [1, с. 40-61]; [2, с. 48-72]; [3, с. 37-57]; [4, с. 61-87]; [6, с. 16-21];

[8, с. 23-32].

Вопросы для самопроверки

1 Дайте определение и приведите примеры основных видов дви­жения жидкости: установившегося и неустановившегося, напорного и безнапорного, равномерного и неравномерного, медленно изменяю­щегося. 2 Что такое линия тока, трубка тока и элементарная струйка? 3 При каких условиях сохраняется постоянство расхода вдоль потока? 4 Укажите физический смысл величин, входящих в дифференциальные уравнения гидродинамики Эйлера. 5. Объясните геометрический и физи­ческий смысл понятий: геодезический, пьезометрический и гидравли­ческий уклоны. Может ли быть отрицательным гидравлический уклон? пьезометрический уклон? 6 Когда линия полной энергии и пьезометри­ческая линия параллельны? Когда в направлении движения жидкости эти линии сближаются и когда удаляются одна от другой? 7 Какие существуют ограничения в применении уравнения Бернулли? 8 К каким выражениям приводится уравнение Бернулли в случаях: а) неподвиж­ной жидкости; б) равномерного движения в горизонтальном трубо­проводе; в) истечения жидкости из сосуда через круглое небольшое отверстие. 9 Каковы причины возникновения потерь напора при движении вязкой жидкости? Дайте определение понятию «гидравличе­ские потери напора».

4 Режим движения жидкости и основы гидродинамического подобия

Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Число Рейнольдса. Основы теории гидродинамического подобия.

Методические указания

Для использования уравнения Бернулли при решении практических инженерных задач необходимо знать гидравлические потери (потери напора), имеющие место при движении жидкости. Эти потери взна­чительной степени зависят от того, будет ли режим движения в потоке турбулентным или ламинарным.

Наличие того или иного режима в трубопроводе обусловливается соотношением трех факторов, входящих в формулу безразмерного критерия Рейнольдса

,

где — средняя скорость движения жидкости;

— диаметр трубопровода;

— коэффициент кинематиче­ской вязкости.

При изучении режимов движения жидкости следует уяснить раз­личия в структуре потоков. Нужно знать формулу числа Рейнольдса и его критическое значение, отчетливо представлять его физический смысл.

В гидравлике широко применяется метод моделирования, когда исследуется не само явление или установка, а их модель, обычно меньших размеров. Основой моделирования является теория гидроди­намического подобия.

Для установившегося движения однородных несжимаемых жид­костей необходимым и достаточным условием гидродинамического подобия является геометрическое, кинематическое и динамическое подобие потоков. Следует четко представлять содержание этих частич­ных критериев подобия. Для полного гидродинамического подобия необходима пропорциональность всех сил, действующих в потоке, но подобие по одним силам часто исключает подобие по другим силам. Поэтому считается достаточным получение приближенного подобия по силам, преобладающим в данном потоке. Критериями такого подобия являются критерий Рейнольдса (преобладание сил трения), критерий Фруда (силы тяжести), критерий Эйлера (силы давления).

Особое внимание следует обратить на критерий Рейнольдса. Он представляет собой отношение сил инерции к силам трения. Теперь можно более глубоко разобраться в физическом смысле числа, или критерия Рейнольдса: режимы движения жидкости и переход одного режима в другой объясняются преобладанием силы инерции или силы трения в потоке, т. е. величиной Re. Как будет видно из дальнейшего, многие величины, характеризующие движение жидкости, могут быть представлены как функции Re.

Литература: [1, с. 62-74]; [2, с. 73-87]; [3, с. 57-65]; [4, с. 90-94]; [5, с. 104-122]; [6, с. 21 - 28]; [8, с. 33-35, 64-67].

Вопросы для самопроверки

I От каких характеристик потока зависит режим движения жид­кости? 2 В чем отличие турбулентного течения от ламинарного? 3 Поясните физический смысл и практическое значение критерия Рейнольдса. 4 Сформулируйте условия гидродинамического подобия потоков и гидравлических машин. 5 Объясните физический смысл критериев Рейнольдса, Фруда, Эйлера. В каких случаях должны при­меняться эти критерии?

5 Ламинарное движение жидкости

Распределение скоростей по сечению круглой трубы. Потери напора на трение по длине трубы (формула Пуазейля). Начальный участок потока. Ламинарное движение в плоских и кольцевых зазорах. Особые случаи ламинарного течения (переменная вязкость, облитерация).

Методические указания

В ламинарном потоке частицы жидкости движутся слоями с раз­личными скоростями параллельно оси трубы без перемешивания. В таком потоке касательные напряжения подчиняются закону Ньютона. Используя общий закон распределения касательных напряжений и за­кон Ньютона, можно получить дифференциальное уравнение, из которо­го строго математически выводятся основные закономерности ламинар­ного движения: распределение скоростей по живому сечению трубо­провода; максимальная и средняя скорости; коэффициент Кориолиса ; закон сопротивления трения (формула Пуазейля); коэффициент гид­равлического трения в формуле Дарси-Вейсбаха.

Теоретические результаты хорошо подтверждаются опытом для потоков, в которых отсутствует теплообмен с окружающей средой.

Из формулы Пуазейля следует, что потери напора на трение по длине трубопровода пропорциональны средней скорости потока и коэффициенту кинематической вязкости жидкости.

Литература: [1, с. 75-94]; [2, с. 88-107]; [3, с. 65-74]; [4, с. 94-98]; [5, с. 187-225]; [6, с. 111 -121]; [8, с. 35-37].

Вопросы для самопроверки

1 Укажите закон распределения касательных напряжений в ци­линдрическом трубопроводе. Для каких режимов этот закон действи­телен? 2 Изобразите эпюру скоростей в цилиндрическом трубопро­воде при ламинарном движении жидкости. Каково соотношение между средней и максимальной скоростями? 3 От каких параметров потока зависят потери на трение по длине при ламинарном движении жид­кости? 4 Каковы особенности движения жидкости в начальном участ­ке ламинарного течения? Как определить длину этого участка и по­тери напора в нем? 5 Каковы особенности движения жидкости в плос­ких и цилиндрических зазорах?

6 Турбулентное движение жидкости

Особенности турбулентного движения жидкости. Пульсация ско­ростей и давлений. Распределение осредненных скоростей по сечению. Касательные напряжения в турбулентном потоке. Потери напора в трубах. Формула Дарси- Вейсбаха и коэффициент потерь на трение по длине (коэффициент Дарси). Шероховатость стенок абсолютная и относи­тельная. Графики Никурадзе и Мурина. Гидравлически гладкие и шероховатые трубы. Формулы для определения коэффициента Дарси и область их применения. Турбулентное движение в некруглых трубах.

Методические указания

Турбулентный поток характеризуется беспорядочным, хаотичным движением частиц жидкости. Из-за сложности явлений до сих пор не создано достаточно удовлетворительной теории турбулентного дви­жения, которая непосредственно вытекала бы из основных уравнений гидродинамики и хорошо подтверждалась опытом (как для ламинар­ного движения). Поэтому все выводы и расчетные соотношения полу­чены экспериментально и в результате теоретического исследования упрощенных моделей турбулентного течения.

Прежде всего, следует уяснить механизм турбулентного переме­шивания и пульсации скоростей. Далее рассмотрите структуру и физи­ческую природу касательных напряжений, которые определяются как сумма напряжений, вызванных действием сил вязкости и обусловлен­ных турбулентным перемешиванием. Определение последних основано на полуэмпирических теориях Прандтля и Кармана, получивших даль­нейшее развитие в трудах советских ученых.

Потери на трение по длине определяются по формуле Дарси, ко­торая может быть получена из соображений размерности.

Центральным вопросом темы является определение коэффициента гидравлического трения в формуле Дарси- Вейсбаха. В общем случае коэффи­циент является функцией числа Рейнольдса Re и относительной шеро­ховатости

где — абсолютная шероховатость; d —диаметр трубы.

Наиболее полно зависимость (3) раскрывается графиком Нику­радзе, который получен экспериментально на трубах с искусственной зернистой равномерной шероховатостью. На графике можно выделить пять зон, каждая из которых характеризуется определенной внутрен­ней структурой потока и в соответствии с этим определенной зависи­мостью от Re и .

1 Зона изменения Re от 0 до 2320. Ламинарный режим потока. Здесь . По формуле Пуазейля коэффициент Дарси для круглых труб

(4),

для квадратных труб .

2 Зона изменения Re от 2320 до ~4000. Неустойчивая зона пере­межающейся турбулентности, когда на отдельных участках возникают области турбулентного режима, которые разрастаются, а затем исчезают и снова появляются. Изменение структуры потока сопровождается колебаниями величины . Зона не рекомендуется для применения в гидравлических системах.

3 Зона чисел Re от ~4000 до , где отношение называют относительной гладкостью, а - эквивалентной шероховатостью. Поток характеризуется турбулентным ядром и пристенным (пограничным) ламинарным слоем, который затапливает шероховатости внутренней поверхности трубы, ввиду чего коэффициент не зависит от и зависит только от Re. Здесь трубы работают как «гидравлически гладкие». Можно использовать формулу Блазиуса

(5)

4 Зона, в которой .Пределы зоны определяются соотношением . Переходная зона относится к «гидравличе­ски шероховатым» трубам. Пристенный ламинарный слой равен (или меньше) высоте выступов шероховатости.

5 Зона больших чисел и, следовательно, интенсивной турбулентности. Трубы «гидравлически шероховатые». Коэффици­ент не зависит от Re и является функцией только .

Как показали более поздние исследования, результаты экспери­ментов Никурадзе для «гидравлически шероховатых» труб нельзя пере­нести на трубы с естественной шероховатостью. Оказалось, что в четвертой и пятой зонах общий характер зависимости (3) сохраняет­ся, но вид кривых на графике для различных типов шероховатостей получается различным, т. е. на коэффициент влияет не только величина , но и характер шероховатости стенок труб. Для реальных технических труб с естественной шероховатостью для определения в четвертой зоне может быть рекомендована формула Альтшуля

, (6)

а для пятой зоны - формула Шифринсона

(7)

Здесь - эквивалентная абсолютная шероховатость, т. е. такая равно­мерная зернистая шероховатость Никурадзе, которая при расчетах дает такой же коэффициент , как и естественная шероховатость.

Отметим, что при малых числах формула (6) переходит в формулу (5) для гидравлически гладких труб, а при больших обращается в формулу (7) для вполне «гидравличе­ски шероховатых» труб.

Вместо расчетных формул (5), (6) и (7) для определения можно пользоваться графиком Г. А. Мурина.

Литература: [1, с. 95-106]; [2, с. 108-127]; [3, с. 74-82]; [4, с. 98-111];

[5, с. 226-265]; [6, с. 121 -130]; [8, с. 37-38].

Вопросы для самопроверки

1 В чем отличие турбулентного течения от ламинарного? 2 Чем отличается распределение скоростей в цилиндрическом трубопроводе при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости? При каком режиме имеет место большая неравномерность скоростей и по­чему? 3 Объясните понятие «гладкие» и «шероховатые» поверхности. Может ли одна и та же труба быть «гидравлически гладкой» и «гид­равлически шероховатой»? В каком случае? 4 Объясните основные линии и зоны сопротивления на графике Никурадзе. 5 Какова зави­симость между потерей напора и средней скоростью течения жидкости в различных зонах и линиях на графике Никурадзе? 6 От каких факторов зависит коэффициент гидравлического трения при турбулент­ном течении и по каким формулам его можно определить? 7 Каковы особенности расчета потерь на трение по длине для некруглых трубо­проводов?

7 Местные гидравлические сопротивления

Основные виды местных сопротивлений. Коэффициент местных сопротивлений. Местные потери напора при больших числах Рейнольдса. Внезапное расширение трубы (теорема Борда). Диффузоры. Су­жение трубы. Колена. Местные потери напора при малых числах Рейнольдса. Эквивалентные длины труб. Кавитация в местных гидравли­ческих сопротивлениях.

Методические указания

Местные сопротивления представляют собой короткие участки трубопроводов, на которых происходят изменения величины и направ­ления скоростей потока, вызванные изменением размеров и формы сечения трубопровода, а также направления его продольной оси. По­тери энергии в местных сопротивлениях, отнесенные к единице веса протекающей жидкости, называются местными потерями напора. Поте­ри в местных сопротивлениях делятся на потери трения и вихревые потери. Следует рассмотреть, как эти факторы проявляются в конкрет­ных местных сопротивлениях.

В общем случае коэффициент местного сопротивления (в фор­муле для определения потерь в местных сопротивлениях) зависит от формы местного сопротивления, относительной шероховатости стенок, распределения скоростей в граничных сечениях потока перед местным сопротивлением и после него и от чисел Рейнольдса. Следует уяснить, как эта общая зависимость конкретизируется для различных зон тур­булентного течения и при ламинарном течении. Отметим, что в техни­ческих установках в большинстве случаев имеет место турбулентный режим, соответствующий пятой зоне квадратичного сопротивления, где коэффициент не зависит от Re. Если в трубопроводе до и после местного сопротивления имеет место ламинарный режим (жидкости с повышенной кинематической вязкостью), то в местных сопротивлениях, как правило, возникает тур­булентное течение.

Весьма существен вопрос о взаимном влиянии местных сопротив­лений. Простое суммирование потерь в местных сопротивлениях (так называемый принцип наложения потерь) дает правильные результаты, если сопротивления расположены друг от друга на расстоянии, пре­вышающем длину взаимного влияния, составляющую .

Литература: [1, с. 107-121]; [2, с. 128-146]; [3, с. 82-87]; [4, с. 111-117];

[5, с. 148-186]; [6, с. 139-150]; [8, с. 42-46].

Вопросы для самопроверки

1 Какие сопротивления называются местными? 2 По какой фор­муле определяются потери, вызванные местными сопротивлениями? 3 Как определить потерю напора при внезапном расширении трубо­провода? 4 В каком сечении берется средняя скорость, входящая в формулу потерь? 5 В чем принцип наложения потерь? 6 Как опреде­ляется коэффициент сопротивления системы трубопроводов (суммар­ный коэффициент сопротивления)?

8 Истечение жидкости через отверстия и насадки

Истечение жидкости через отверстия в тонкой стенке при постоян­ном напоре. Коэффициенты сопротивления, сжатия, скорости, расхода. Истечение жидкости через цилиндрический насадок. Насадки различ­ного типа. Истечение при переменном напоре. Понятие о струйной тех­нике.

Методические указания

Отверстие называется малым, если можно пренебречь изменением давления по его площади. Насадками называются небольшие по длине трубы , присоединенные к таким отверстиям. Прежде всего следует уяснить характер и особенности движения жидкости в процессе истечения (сжатые струи, образование вакуума).

В гидравлике истечения через отверстия и насадки имеют много общего. Скорость истечения и вытекающий расход рассчитываются по общим формулам, выведенным на основе уравнения Бернулли, при­чем потери при истечении определяются как местные потери. Общими являются также гидравлические характеристики (коэффициенты рас­хода, скорости, сжатия, сопротивления).

Следует знать физический смысл коэффициентов сжатия, скорости и расхода, зависимость их числовых значений от типа и формы от­верстий и насадков, а также от критерия Рейнольдса. Нужно также обра­тить внимание на то, что при Re > I0⁵ влияние сил вязкостного тре­ния на коэффициенты истечения практически отсутствует (квадратическая зона сопротивления). При этом коэффициенты истечения зави­сят только от формы отверстий и насадков. Это позволяет с успехом использовать отверстия с острой кромкой и с насадками в качестве измерителей расхода.

При истечении при переменном напоре (опорожнение сосудов) расчетными являются формулы для определения времени опорожне­ния.

Литература: [1, с. 122-136]; [2, с. 147-185]; [3, с. 108-118]; [4, с. 146-162];

[5, с. 123-147]; [6, с. 171-177]; [8, с. 57-62].

Вопросы для самопроверки

1 Как связаны между собой коэффициенты сопротивления, сжа­тия, скорости и расхода? Поясните физический смысл этих коэффи­циентов. 2 В каком случае сжатие струи называется неполным, не­совершенным? Как неполнота и несовершенство сжатия влияют на коэффициент расхода? 3 Как рассчитываются затопленные отверстия и насадки? 4 Какое влияние оказывает вязкость жидкости при истече­нии из отверстий и насадок? 5 Как изменяются расход и скорость при истечении жидкости через цилиндрический насадок по сравнению с истечением ее из круглого отверстия того же диаметра и под тем же напором? 6 Чем отличается «насадок» от «трубы»? 7 В чем особен­ности истечения жидкости из большого отверстия по сравнению с исте­чением ее из малого отверстия?

9 Гидравлический расчет трубопроводов

Основное расчетное уравнение простого трубопровода. Понятие об определении экономически наивыгоднейшего диаметра трубопро­вода. Сифонный трубопровод. Последовательное и параллельное со­единение трубопроводов. Сложные трубопроводы. Трубопровод с на­сосной подачей.

Методические указания

Для гидравлического расчета трубопроводов применяется урав­нение Бернулли, формулы для определения потерь напора на трение по длине и в местных сопротивлениях, уравнение постоянства расхода.

Для нахождения различных гидравлических характеристик трубо­проводов применяются расчетные таблицы. К числу основных гидрав­лических характеристик относится расходная характеристика. В зависимости от гидравлической схемы работы и от методов гидравлического расчета различают трубопроводы короткие и длинные, простые и сложные, разветвленные и замкнутые, с транзитными и путевыми расходами жидкости. Следует уяснить различие между пере­численными типами трубопроводов и особенности их гидравлических расчетов. Все случаи расчета простых трубопроводов сводятся к трем типовым задачам по определению: 1) расхода, 2) напора, 3) диаметра трубопровода. Следует знать методику решения этих задач.

При расчете сложных трубопроводов составляется система урав­нений, которые устанавливают связь между размерами труб, расхода­ми жидкости и напорами. Эта система состоит из уравнений балан­са расходов для каждого узла и уравнений баланса напоров (урав­нений Бернулли) для каждой ветви трубопровода.

Литература: [1, с. 137-152]; [2, с. 204-225]; [3, с. 87-89]; [4, с. 117-140];

[5, с. 226-304]; [8, с. 48-52].

Вопросы для самопроверки

1 Какие трубопроводы называются короткими и длинными, прос­тыми и сложными? В чем особенности гидравлического расчета таких трубопроводов?

2 Изложите методику решения трех типовых задач расчета простого короткого трубопровода. 3 Какова особенность рас­чета трубопроводов с параллельным соединением линий? 4 Чем отлича­ется определение диаметра магистрального трубопровода и его от­ветвлений при расчете тупиковой водопроводной сети?

5 Что такое сифон и каковы особенности его гидравлического расчета? 6 В чем особенность расчета трубопроводов с насосной подачей жидкости?

10 Неустановившееся движение жидкости

Неустановившееся движение несжимаемой жидкости в жестких трубах с учетом инерционного напора. Явление гидравлического удара. Формула Жуковского для прямого удара. Понятие о непрямом ударе. Способы ослабления гидравлического удара.

Методические указания

Интегрирование дифференциального уравнения неустановившегося движения жидкости в напорном трубопроводе в предположении, что трубы обладают абсолютно жесткими стенками, а жидкость несжимае­ма, приводит к уравнению Бернулли с инерционным членом. Инерцион­ный член учитывает напор, затраченный на преодоление локальных сил инерции, т. е. сил инерции, обусловленных ускорением (или замедле­нием) всего объема жидкости в трубопроводе. В случае плавно изме­няющегося движения локальные ускорения определяются по изменению средних скоростей в сечениях потока. Для параллельно-струйного дви­жения (трубопровод постоянного сечения) локальное ускорение в каж­дый момент времени одинаково для всех сечений потока, т. е. жидкость условно представляется как твердое тело.

Если ускорения в потоке достаточно велики, то предположение о неупругости системы становится неприемлемым. Учет упругих свойств жидкости и стенок трубопровода приводит к рассмотрению процесса распространения вдоль трубопровода упругих волн деформации и свя­занных с ними волн резкого повышения и понижения давления, что при­водит к явлению гидравлического удара.

Гидравлическим ударом называется повышение или понижение дав­ления в напорном трубопроводе, вызванное изменением во времени (в некотором сечении трубопровода) скорости движения жидкости. Явление гидравлического удара было теоретически и экспериментально изучено в конце XIX века Н. Е. Жуковским в связи с многочисленными авариями московского водопровода.

Гидравлический удар чаще всего возникает в случае быстрого закрытия или открытия затвора, управляющего потоком в трубопро­воде. Различают прямой удар, когда время закрытия затвора меньше фазы гидравлического удара (время пробега ударной волны от затвора к резервуару и обратно), и непрямой удар, при котором время за­крытия затвора больше фазы гидравлического удара.

Формула Н. Е. Жуковского дает зависимость величины ударного повышения давления от плотности жидкости , скорости распространения ударной волны С, уменьшения скорости в трубе перед краном вследствие его закрытия. Формула применима для расчета прямого и непрямого удара и учитывает как сжатие жидкости, так и растяжение стенок трубы при ударном повышении давления.

После уяснения физической сущности гидравлического удара и ме­тодов его расчета следует рассмотреть меры борьбы с ним.

Литература: [1, с. 153-164]; [2, с. 186-203]; [3, с. 99-106]; [4, с. 140-146];

[5, с. 305-378]; [8, с. 52-57].

Вопросы для самопроверки

1 Напишите формулу для определения инерционного напора. Объясните физический смысл входящих в нее величин. 2 Как изменится положение пьезометрической линии для трубы с постоянным диаметром при возникновении положительного и отрицательного локального уско­рения? 3 Что называется прямым и непрямым гидравлическим уда­ром? Что называется фазой гидравлического удара? Как она влияет на повышение давления при гидравлическом ударе? 4 Что такое ско­рость распространения ударной волны? От каких величин она зависит? 5 Чем гасится колебательный процесс, имеющий место при гидрав­лическом ударе? 6 Как можно уменьшить или предотвратить ударное повышение давления? 7 Что называется отрицательным гидравличе­ским ударом и когда он может возникнуть?

11 Взаимодействие потока со стенками

Воздействие струи на твердые преграды. Силы воздействия потока на стенки.

Методические указания

Настоящий раздел необходим для понимания принципа действия

гидравлических машин, изучаемых во второй части курса. Следует хорошо разобраться в физической имеханической сущности активного и реактивного взаимодействия между струей и твердой преградой, и сопротивлении твердых тел, движущихся в жидкости.

Литература: [1, с. 165-171]; [3, с. 118-128]; [4, с. 162-174]; [5, с. 379-465];

[8, с. 62—63].

Вопросы для самопроверки

1 Сформулируйте теорему об изменении количества движения. 2 Чему равна реактивная сила взаимодействия между струей и твер­дым телом? 3 Чему равно реактивное давление струи на плоскую стенку? на ковшеобразную стенку?

ЧАСТЬ II ЛОПАСТНЫЕ ГИДРОМАШИНЫ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ

РАЗДЕЛ А ЛОПАСТНЫЕ НАСОСЫ

1 Общие сведения о гидромашинах

Насосы и гидродвигатели. Классификация насосов. Принцип дей­ствия динамических и объемных насосов. Основные параметры насо­сов: подача (расход), напор, мощность, КПД.

Методические указания

Насосом называется гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию двигателя в энергию перекачиваемой жидкости. В гидравлическом двигателе происходит преобразование энергии пото­ка жидкости в механическую энергию на выходном валу двигателя. Все типы насосов, несмотря на многообразие их конструктивных форм, по принципу действия, т. е. по способу передачи жидкости ме­ханической энергии, делятся на две группы: динамические (лопастные) и объемные (насосы вытеснения). К первым относятся центро­бежные, диагональные, осевые, вихревые насосы; ко вторым - порш­невые и роторные насосы.

При изучении этого раздела студент должен усвоить общую клас­сификацию насосов, их специфические особенности и область приме­нения.

При рассмотрении основных параметров насосов следует обратить внимание на определение напора, его физический смысл и действитель­ную размерность, надо также понять различие между полезной и за­траченной мощностями, разобраться в физическом смысле коэффициен­та полезного действия.

Литература: [1, с. 172-1771; [2, с. 226-227]; [4, с. 204-214]; [6, с. 183-184];

[9, с. 138-141].

Вопросы для самопроверки

1 Расскажите о принципе действия динамических и объемных насосов. 2 Как определяется напор действующего насоса по показа­ниям приборов и по элементам насосной установки? 3 Как определяет­ся полезная и затраченная мощность насоса? 4 Что представляет со­бой полный коэффициент полезного действия насоса?

2 Основы теории лопастных насосов и их свойства

Центробежные насосы. Схемы одноступенчатых центробежных на­сосов. Уравнение Эйлера. Теоретический напор насоса. Полезный на­пор. Потери энергии в насосе. Характеристика центробежных насосов.

Основы теории подобия насосов. Коэффициент быстроходности. Типы лопастных насосов. Применение формул подобия для пересчета характеристик насоса. Регулирование подачи. Последовательное и па­раллельное соединение насосов.

Кавитация в лопастных насосах. Кавитационная характеристика. Кавитационный запас. Формула Руднева и ее применение.

Методические указания

Работа лопастных насосов основана на силовом взаимодействии лопастей с обтекающим их потоком. При вращении рабочего колеса в потоке жидкости возникает разность давлений по обе стороны каж­дой лопатки (подъемная сила). Силы давления лопастей на поток создают вынужденное вращательное и поступательное движения жид­кости, увеличивая ее давление и скоростной напор, т. е. механическую энергию.

Приращение энергии потока жидкости в лопастном колесе (напор насоса) зависит от сочетания скоростей протекания потока, частоты вращения колеса, его размеров, формы лопаток, т. е. от сочетания конструкции, размеров, частоты вращения и подачи насосов. Таким образом, главная особенность и отличие лопастных насосов от объем­ных состоят в том, что напор и подача у этих насосов взаимосвязаны, а подача непрерывна.

Созданная еще в середине XVIII в. Л. Эйлером приближенная струйная теория лопастных машин до настоящего времени является основой для их расчета. Сложность гидродинамических явлений, кото­рые возникают при протекании жидкости в рабочих органах насоса, привела к теоретической модели идеального рабочего колеса с беско­нечным числом бесконечно тонких лопастей. На основе струйной теории Л. Эйлером получено основное уравнение лопастных насосов, дающее зависимость теоретического напора от треугольников скоростей на выходе и входе рабочего колеса. С целью удовлетворительного согласования теории с данными опыта в формулу полезного (дейст­вительного) напора вводятся поправки на конечное число лопаток и на гидравлические потери. Следует обратить внимание на вывод ос­новного уравнения, которое может быть получено из уравнения Бернулли для относительного движения или из теоремы моментов коли­чества движения.

Различают теоретические и действительные характеристики ло­пастных насосов. Теоретические характеристики получаются в резуль­тате анализа основного уравнения лопастных насосов. Из-за слож­ности протекания жидкости через рабочие органы насоса точную взаи­мосвязь основных параметров работы насоса удается получить только экспериментально. В результате испытаний насосов получают их дейст­вительные характеристики — кривые зависимости напора, подачи, за­траченной мощности, КПД и частоты вращения насоса. Характеристики дают достаточно полное представление об эксплуатационных качест­вах насосов и позволяют решать вопросы, связанные с их эксплуата­цией и проектированием.

Студенту необходимо уяснить методику получения рабочих и уни­версальных характеристик, их использование для определения опти­мальных режимов работы действующих насосов, для выбора новых на­сосов, определения режимов совместной работы на общую сеть, а также для определения условий работы при изменении частоты вращения и размеров насоса.

При создании новых образцов лопастных машин проводятся их лабораторные исследования и доводка на моделях. Для перехода от данных, полученных на моделях, к натурным насосам используется общая теория гидродинамического подобия потоков в применении к ло­пастным машинам. Следует уяснить условия применимости теории по­добия к лопастным насосам, а также усвоить формулы пересчета основных параметров насосов при изменении размеров и частоты вращения.

При проектировании насосов одни и те же значения подачи и на­пора могут быть получены в насосах с различной частотой вращения. При этом конструктивный тип рабочего колеса и всей проточной час­ти насоса будет также различен. Для характеристики конструктивного типа насосов служит коэффициент быстроходности (удельная частота вращения), который определяет область применения насосов. Студенту следует знать, по какой формуле вычисляется коэффициент быстро­ходности, на какие типы подразделяются лопастные насосы в зависи­мости от его значения. Коэффициент быстроходности зависит не только от частоты вращения, но и от напора и подачи насоса. По­этому не всегда насосы с большей частотой вращения имеют больший коэффициент быстроходности.

Отрицательное влияние на работу центробежных насосов оказы­вает кавитация, возникающая в результате снижения давления при входе жидкости на рабочее колесо центробежного насоса ниже дав­ления парообразования. Студент должен знать физическую сущность влияния кавитации и меры, необходимые для избежания этого вред­ного явления.

Необходимо знать и уметь пользоваться формулой для определе­ния допустимой высоты всасывания центробежного насоса, определять кавитационный запас по формуле Руднева.

Литература: [1, с. 177-254]; [2, с. 228-269]; [4, с. 226-257]; [6, с. 184-216];

[9, с. 141-186].

Вопросы для самопроверки

1 Начертите схему и объясните принцип действия одноступенча­того центробежного насоса. 2 Приведите параллелограммы скоростей на входе и выходе из рабочего колеса и поясните их. 3 Напишите ос­новное уравнение центробежных насосов Эйлера, поясните его вывод и физический смысл. 4 В чем заключаются соотношения подобия (про­порциональности) для лопастных машин? Для каких целей они при­меняются? 5 Что называется рабочей и универсальной характеристи­ками центробежных насосов? 6 На какие виды делятся лопастные насосы по быстроходности? 7 Как найти подачу и напор (рабочую точку) при работе одного и двух центробежных насосов на сеть? При­ведите соответствующие графики и характеристики. 8 Что такое осе­вое давление, как оно возникает и каковые меры его устранения (урав­новешивания)? 9 Какова физическая сущность явления кавитации в лопастных машинах. 10 Как влияет кавитация на работу центробежных насосов и каковы меры борьбы с ней? 11 Укажите методы регулирова­ния подачи центробежных насосов и расскажите об их физической сущности.

3 Вихревые и струйные насосы

Схема вихревого насоса, принцип действия, характеристика, об­ласти применения. Схема струйного насоса, принцип действия, области применения.

Методические указания

Рабочее колесо вихревого насоса имеет радиальные или наклонные лопатки и помещается в цилиндрическом корпусе с малыми торцевыми зазорами. Рабочий процесс вихревых насосов аналогичен центробеж­ным, однако имеет некоторые особенности. Напор вихревых насосов в 3...7 раз больше напора центробежных при тех же размерах и час­тоте вращения. Насосы имеют малый коэффициент быстроходности (6...40 об/мин) и применяются для больших напоров и малых расхо­дов. Они обладают способностью самовсасывания и могут перекачивать смеси жидкости и газа.

К струйным относятся насосы, рабочий процесс которых основан на эжектирующем действии струи рабочей жидкости (воды, газа, пара, воздуха). Насосы могут перекачивать воду, пульпу, нефть и другие жидкости, а также газы. Применяются для нагнетания (инжекторы), отсасывания (эжекторы) и вообще для перемещения жидкости (эле­ваторы). Ввиду сложности процессов расчет струйных насосов бази­руется главным образом на результатах экспериментов.

Нужно подробно рассмотреть рабочий процесс, характеристики, конструкции, способы регулирования и области применения вихревых и струйных насосов.

Литература: [1, с. 270-290]; [2, с. 269-2711; [4, с. 273-274]; [9, с. 220-224].

Вопросы для самопроверки

1 Начертите схемы вихревого и струйного насосов и расскажите о принципе их действия. 2 Какими достоинствами и недостатками обладают вихревые и струйные насосы? Какова область их примене­ния? 3 От чего зависит подача струйных насосов и как определяется их коэффициент полезного действия?

РАЗДЕЛ Б ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ

4 Общие понятия

Назначение и область применения гидродинамических передач. Принцип действия и классификация. Рабочая жидкость.

Методические указания

Гидродинамические передачи предназначены для передачи механи­ческой энергии с вала двигателя на вал приводной машины.

В практике эксплуатации машин-орудий все чаще требуется ис­кусственное приспособление характеристики двигателей к характерис­тикам приводных машин. С этой целью для изменения как частоты вращения, так и вращающего момента на валу приводной машины по сравнению с частотой вращения и вращающими моментами на валу дви­гателя применяются гидродинамические передачи.

Основными элементами гидродинамической передачи являются: рабочее колесо центробежного насоса — источник гидравлической энергии; рабочее колесо радиально-осевой или осевой гидротурбины — гидравлический двигатель; рабочая жидкость, а также реактор (на­правляющий аппарат), питающие и отводящие устройства.

В проточной части гидродинамической передачи при взаимодейст­вии лопастных систем с рабочей жидкостью происходит преобразова­ние механической энергии ведущего вала (двигателя) в механическую энергию рабочей жидкости, которая в свою очередь превращается в механическую энергию ведомого вала (приводной машины). По прин­ципу действия гидродинамические передачи делятся на два вида: гидро­динамические трансформаторы вращающего момента и гидродинамиче­ские муфты (сцепления). Следует рассмотреть ценные свойства гидро­динамических передач, которые определили применение их в различных областях техники.

В гидродинамических передачах в качестве рабочей жидкости применяются минеральное масло, вода, синтетические жидкости. Не­обходимо ознакомиться с требованиями, предъявляемыми к рабочим жидкостям, их физическими характеристиками, эксплуатационными свойствами, областью применения.

Литература: [1, с. 291-307]; [3, с. 230-232]; [6, 379-382]; [8, с. 68-80];

[9, с. 249-252].

Вопросы для самопроверки

1 Каковы назначение и область применения гидродинамических передач? На каких машинах и установках они применяются? Приведите примеры. 2 Изобразите принципиальные схемы гидротрансформатора и гидромуфты и поясните принцип их действия. 3 Каковы достоинства и недостатки гидродинамических передач? 4 Какие требования предъ­являются к рабочим жидкостям?

5 Гидродинамические муфты

Устройство и рабочий процесс. Основные параметры, уравнения и характеристики. Совместная работа гидромуфты с двигателем. Ре­гулирование гидромуфт.

Методические указания

Гидродинамическая муфта состоит из двух основных элементов: насосного и турбинного колес, которые крепятся соответственно на ведущем и ведомом валах. Замыкающий кожух, как правило, кре­пится к фланцу насосного колеса. Лопатки рабочих колес в большин­стве случаев плоские, радиальные. При вращении насосного колеса возникает силовое взаимодействие лопастей с обтекающим их потоком. При этом в потоке создается приращение момента количества движе­ния жидкости. Из насосного колеса жидкость поступает в турбинное колесо, где момент количества движения жидкости уменьшается, за счет чего на турбинном колесе возникает вращающий момент. Так как в гидромуфте отсутствуют устройства, способные изменить момент ко­личества движения жидкости в круге циркуляции, то увеличение мо­мента количества движения в насосном колесе всегда равно его умень­шению в турбинном колесе. Следовательно, если не учитывать меха­нические потери и потери трения о воздух, которые обычно малы, то в гидромуфте вращающий момент с ведущего вала на ведомый пере­дается без изменения.

Рабочий процесс в гидромуфте изложен здесь схематизировано. При его изучении следует рассмотреть треугольники скоростей на входе и выходе насосного и турбинного колес, проанализировать уравнения моментов количества движения. Следует уяснить, почему вращающий момент может передаваться только когда частота вращения ведомого вала меньше частоты вращения ведущего (передаточное отношение меньше единицы), почему КПД гидромуфты равен передаточному отношению.

Оценка энергетических и эксплуатационных качеств гидромуфт мо­жет быть проведена с помощью характеристик. Различают внешние (моментные), универсальные и приведенные характеристики. Следует знать методику построения характеристик и уметь ими пользоваться при изучении работы гидромуфты в системе силовой трансмиссии.

Высокие эксплуатационные качества гидромуфт (гашение крутиль­ных колебаний и пульсаций вращающего момента, благоприятные ус­ловия запуска двигателя, ограничение передаваемого вращающего момента и пр.) определяется особенностями рабочего процесса и конст­руктивными особенностями гидромуфт.

Двигатель в сочетании с гидромуфтой представляет собой: сило­вой агрегат, более полно удовлетворяющий требованиям приводной машины. Следует уяснить методику определения размеров гидромуф­ты (активного диаметра), методику построения выходной характерис­тики агрегата «двигатель-гидромуфта» и уметь пользоваться ею для анализа совместной работы гидромуфты с двигателем.

В эксплуатационной практике часто возникает необходимость из­менять частоту вращения ведомого вала гидромуфты, не изменяя пе­редаваемый вращающий момент, т. е. необходимости в регулировании гидромуфты. В зависимости от конструкции и назначения гидромуфт применяются различные способы их регулирования. Студенту необходи­мо знать наиболее распространенные способы регулирования, их физи­ческую сущность, достоинства и недостатки.

Литература: [1, с. 307-323]; [2, с. 339-345]; [3. с. 232-256]; [6, с. 382-390];

[8, с. 307-339]; [9, с. 252-255].

Вопросы для самопроверки

1 Поясните принцип и особенности работы гидромуфты. 2 При­ведите уравнение моментов для гидромуфты и поясните его. 3 Укажите соотношения подобия (пропорциональности). Для каких целей приме­няются эти соотношения? 4 Каковы преимущества и недостатки при­менения гидромуфты в системе силового привода? 5 Поясните метод построения выходной характеристики агрегата «двигатель — гидромуф­та». 6 Ответьте на 4-й вопрос, используя выходную характеристику агрегата с гидромуфтой. 7 Каково назначение регулирования гидро­муфты? Какие вам известны способы регулирования гидромуфты.

6 Гидродинамические трансформаторы

Устройство, классификация, рабочий процесс, основные параметры и уравнения. Потери энергии в гидротрансформаторе. Внешние ха­рактеристики. Понятие о комплексных гидротрансформаторах.

Методические указания

Гидротрансформатор отличается от гидромуфт тем, что в его проточной части кроме насосного и турбинного колес установлен не­подвижный реактор (направляющий аппарат). Лопастное колесо ре­актора, отклоняя своими лопатками жидкость, изменяет момент коли­чества движения потока. Поэтому в гидротрансформаторе вращающие моменты на ведущем и ведомом валах не равны друг другу - следовательно, гидротрансформаторы в отличие от гидромуфт являются пре­образователями вращающего момента.

Реактор размещается либо за турбинным колесом, либо за на­сосным. Как правило, имеется только одно насосное колесо. В зави­симости от степени трансформации вращающего момента гидротрансфор­маторы могут быть с одной или несколькими ступенями турбинных колес (не более трех) и могут иметь несколько реакторов. Разнообразие конструктивных схем позволяет строить гидротрансформаторы с различ­ными свойствами и характеристиками и подбирать их для эффективной работы в конкретных условиях силового привода.

К числу основных внешних параметров гидротрансформатора от­носятся вращающие моменты на ведущем и ведомом валах и на реакторе, передаточное отношение, КПД, коэффициент трансформации момен­тов. Функциональное графическое изображение этих параметров дает характеристики гидротрансформаторов. Различают внешние (моментные), универсальные и приведенные характеристики. Форма кривых на характеристиках зависит от профилирования лопаток рабочих колес, от количества и размещения рабочих колес в проточной части.

В зависимости от формы кривой вращающего момента на ведущем валу различают прозрачные и непрозрачные внешние (моментные) характеристики. Выбор гидротрансформаторов с различной прозрачно­стью характеристик диктуется условиями их работы: преобладанием требований надежности или экономичности силового привода.

Следует разобраться в методике построения характеристик, про­анализировать по характеристикам режимы работы гидротрансформа­торов при различных моментах на ведомом валу, которые определя­ются моментом сопротивления приводной машины, рассмотреть энерге­тические и эксплуатационные свойства гидротрансформаторов.

Гидротрансформатор обычно работает в системе силового при­вода. Экономичность и слаженность работы системы силового привода зависят от работы отдельных его элементов — двигателя, гидротранс­форматора и приводной машины и правильного согласования их друг с другом. Основой для согласования служат моментная характеристи­ка двигателя, приведенная характеристика гидротрансформатора и моментная характеристика приводной машины. Для согласования ха­рактеристик используются формулы подобия и уравнение момента гид­родинамических передач.

Следует рассмотреть методику выбора размера гидротрансформа­тора (активного диаметра), построения выходной характеристики агре­гата «двигатель -гидротрансформатор» и уметь ими пользоваться для анализа работы гидротрансформатора в системе силового при­вода.

В комплексных гидротрансформаторах реактор размещается на муфте свободного хода и при некоторых режимах может вращаться вместе с рабочими колесами. Следует рассмотреть назначение таких гидротрансформаторов, их характеристики и эксплуатационные свой­ства.

Литература: [1, с. 323-335]; [2, с. 339-345]; [3, с. 232-238; 256-259];

[6, с. 390-398]; [8, с. 340-348]; [9, с. 255-258].

Вопросы для самопроверки

1 Поясните принцип действия и особенности работы гидротранс­форматора.

2 Чем отличаются прозрачные характеристики гидро­трансформатора от непрозрачной? Для каких условий работы они при­меняются? 3 Поясните метод выбора размеров гидротрансформатора и согласование характеристик элементов силового привода. 4 Каковы конструктивная схема, моментная характеристика и назначение комплексного гидротрансформатора? 5 Какие применяются способы ре­гулирования гидротрансформаторов?

ЧАСТЬ III ОБЪЕМНЫЕ НАСОСЫ И ГИДРОПРИВОДЫ

РАЗДЕЛ А ОБЪЕМНЫЕ НАСОСЫ И ГИДРОДВИГАТЕЛИ

1 Общие положения

Объемные насосы, принцип действия, общие свойства и классифи­кация.

Методические указания

В объемных насосах передача механической энергии жидкости осуществляется изменением объемов их рабочих камер. Объемные насо­сы делятся на классы: 1) поршневые — с возвратно-поступательным движением вытеснителя (поршня или плунжера) и клапанным рас­пределением жидкости; 2) роторные — с вращательным движением вытеснителей или замыкателей (например, поршней плунжеров, зубьев шестерен, лопаток или пластин) и с бесклапанным распределением жидкости.

В отличие от лопастных насосов в объемных насосах жидкости сообщается потенциальная энергия давления при практически неиз­менной кинетической энергии жидкости. В этих насосах подача и на­пор независимы друг от друга, насосы характеризуются неравномер­ностью подачи и пульсацией давлений.

Литература: [1, с. 336-342]; [2, с. 272-274]; [3, с. 155-157]; [4, с. 204-214];

[6, с. 256-272]; [8, с. 81-90]; [9, с. 5-7].

Вопросы для самопроверки

1 Расскажите о принципе действия объемных насосов. 2 Приведи­те примеры объемных насосов и укажите элементы, присущие объем­ным насосам всех типов. 3 Каковы преимущества и недостатки, присущие объемным насосам всех типов?

2 Поршневые и плунжерные насосы

Устройство и область применения поршневых и плунжерных на­сосов. Индикаторная диаграмма. Графики идеальной подачи и ее неравномерность. Диафрагменные насосы.

Методические указания

Поршневой насос представляет собой гидравлическую машину, в которой преобразование механической энергии двигателя в механиче­скую энергию перемещаемой жидкости осуществляется при помощи поршня или плунжера, совершающего возвратно-поступательное дви­жение в цилиндре. Поршневые насосы принадлежат к классу объемных насосов. Они классифицируются по кратности действия, устройству поршня, расположению цилиндров, способу соединения поршня с дви­гателем, по быстроходности (числу двойных ходов), по развиваемому давлению. Студент должен знать принцип действия насосов, уметь изобразить и пояснить принципиальные схемы насосов одинарного, двойного, дифференциального действия и др.

Подача поршневых насосов пропорциональна их размерам (объ­ему, вытесняемому поршнем при его движении на нагнетание), а также скорости движения поршня (числу двойных ходов — или числу оборотов в единицу времени). Напор поршневых насосов не связан сподачей и зависит от сопротивлений (геодезический напор, гидравли­ческие сопротивления), которые он должен преодолевать.

Одной из основных особенностей поршневых насосов является неравномерная подача жидкости по времени. Студент должен знать способ построения графиков мгновенной подачи и уметь вывести чис­ловые значения коэффициента неравномерности подачи длянасосов различной кратности действия. Следует рассмотреть влияние клапан­ного распределения жидкости на характеристики и свойства поршне­вых насосов.

Для улучшения равномерности подачи на всасывающем и напор­ном патрубках насоса устанавливаются воздушные колпаки. При рас­смотрении работы воздушных колпаков необходимо понять, почему ус­тановка колпака на всасывающем патрубке позволяет увеличить вы­соту всасывания и число двойных ходов насоса, а установка колпака на напорном патрубке сглаживает неравномерность подачи жидкости к потребителю.

Важной характеристикой работы насоса является индикаторная диаграмма, представляющая собой кривую изменения давления в ка­мере насоса за один двойной ход поршня. Индикаторная диаграмма позволяет судить о качестве насоса, влиянии воздушных колпаков на процессы всасывания и нагнетания, дает возможность установить наличие тех или иных нарушений в работе насоса, позволяет уточнить баланс мощности и КПД в насосе.

Литература: [ 1, с. 343-354]; [2, с. 274-276]; [3, с. 157-166]; [4, с. 214-226];

[6, с. 272-289]; [8, с. 115-117]; [9, с. 8-49].

Вопросы для самопроверки

1 Приведите схемы и объясните принцип действия поршневых насосов одинарного, двойного, дифференциального действия. 2 От чего зависит и по каким формулам определяется производительность насо­сов различной кратности действия? Что такое объемный КПД насо­са? 3 Приведите графики мгновенной подачи поршневых насосов оди­нарного и двойного действия; объясните метод их построения и гид­равлическую сущность; укажите способы уменьшения неравномерности подачи. 4 Изобразите индикаторную диаграмму поршневого насоса и объясните ее. В чем отличие действительной индикаторной диаграммы от идеальной. 5 От чего зависит и как определяется высота всасыва­ния поршневых насосов? Укажите способы увеличения высоты всасы­вания. 6 Каковы преимущества и недостатки поршневых насосов по сравнению с центробежными? 7 Как регулируется подача поршневых насосов и каковы правила их пуска?

3 Роторные насосы и гидродвигатели

Классификация роторных насосов. Общие свойства и область при­менения. Устройство и особенности роторных насосов различных типов: а) шестеренчатых, б) винтовых, в) пластинчатых (шиберных), г) роторно-поршневых. Определение рабочих объемов. Подача и ее равно­мерность. Характеристики насосов. Регулирование подачи. Вращающий момент на валу гидромотора. Высокомоментные гидромоторы.

Методические указания

Роторными называются объемные насосы вращательного движения, содержащие статор, ротор и замыкатели, герметично соприкасающиеся со статором и ротором и разделяющие приемную камеру от нагнета­тельной. По конструкции роторные насосы разделяют на роторно-поршневые (радиальные и аксиальные), пластинчатые (шиберные, шестеренчатые, винтовые). Эти насосы широко используются в объемных гидравлических приводах. Роторные насосы обратимы, т. е. могут работать в качестве насосов и гидромоторов, имеют бесклапанное распре­деление жидкости ипотому выполняются быстроходными, имеют мень­шую неравномерность подачи, чем поршневые насосы, могут быть вы­полнены с регулированием и реверсированием подачи (роторно-поршневые насосы и шиберные простого действия).

Роторные насосы, так же как и поршневые, не могут работать с закрытой задвижкой и, как правило, снабжаются предохранитель­ным клапаном, разгружающим насос в случае перегрузки. Студенту необходимо разобраться в принципе действия и устройстве перечис­ленных типов роторных насосов. Следует знать область их применения, принцип действия, кинематическую схему, уметь объяснить конструк­тивную схему, знать формулы для определения подачи насоса и рабо­чего объема и способы регулирования подачи, характеристики.

Обращенные роторные насосы являются гидромоторами враща­тельного действия. Так же как и насосы, они могут быть регулируе­мыми и нерегулируемыми, реверсивными и нереверсивными.

При изучении роторных гидромоторов следует усвоить принцип действия и устройство, расчетные формулы для определения вращаю­щего момента, мощности, частоты вращения. Следует обратить вни­мание на способы изменения (регулирования) этих параметров в слу­чае нерегулируемых и регулируемых гидромоторов.

Литература: [1, с. 354-403]; [2, с. 276-301]; [3, с. 166-172, 175-184];

[4, с. 257-271, 308-309]; [6, с. 289-316]; [7, с. 126-244]; [8, с. 90-114, 119-162];

[9, с. 113-137].

Вопросы для самопроверки

1Приведите конструктивные схемы и объясните принцип действия радиально - и аксиально-поршневых, пластинчатых (шиберных), шестеренчатых и винтовых насосов. 2 Напишите формулы для опреде­ления подачи роторных насосов и объясните их. Изменением каких параметров осуществляется регулирование подачи насоса? 3 Каковы достоинства и недостатки роторных насосов? 4 Укажите область при­менения роторных насосов. 5 На схемах роторно-поршневых гидро­моторов рассмотрите кинематическую цепочку трансформации усилий на поршнях, создаваемых рабочей жидкостью, и механический момент на валу гидромотора. 6 От каких параметров зависят развиваемые на валу роторных гидромоторов вращающий момент, мощность и частота вращения? Приведите соответствующие формулы для каждого типа гидромотора и поясните их.

7 Расскажите о принципе действия и конструктивных особенностях высокомоментных гидромоторов.

4 Гидроцилиндры

Силовые гидроцилиндры, их назначение и устройство. Поворот­ные гидроцилиндры.

Методические указания

Силовые гидравлические цилиндры являются гидравлическими дви­гателями возвратно-поступательного действия, работающими по прин­ципу обращенных поршневых насосов. В отличие от последних сило­вые гидроцилиндры не имеют клапанов. Студенту необходимо рассмот­реть конструктивные схемы гидроцилиндров одностороннего и двусто­роннего действия и телескопических, усвоить расчетные формулы для определения усилия на штоке, скорости движения поршня, потребной подачи жидкости, развиваемой мощности с учетом полного и частных КПД гидроцилиндра.

Литература: [1, с. 403-410]; [3, с. 172-175]; [4, с. 307-308]; [7, с. 318-328];

[8, с. 162-176].

Вопросы для самопроверки

1 Приведите схемы силовых гидроцилиндров одностороннего и двустороннего действия и поясните их. 2 Как определить потребную подачу для гидроцилиндров одностороннего и двустороннего действия? Как влияет объемный КПД на подачу? 3 От каких параметров гидроцилиндров зависят развиваемые мощность и усилие на штоке? Приведите соответствующие формулы и поясните их.

РАЗДЕЛ Б ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОПРИВОД

5 Основные понятия и элементы гидропривода

Принцип действия объемного гидропривода. Классификация объ­емных гидроприводов по характеру движения выходного звена и дру­гим признакам. Основные элементы гидропривода.

Методические указания

Объемный гидропривод предназначен для передачи при помощи объемных гидромашин механической энергии двигателя к исполнитель­ным механизмам с преобразованием скоростей и сил или моментов.

Объемный гидропривод содержит объемный насос (источник гид­равлической энергии), объемные гидромоторы (приемники гидравличе­ской энергии или исполнительные механизмы), гидроаппаратуру (уст­ройства или механизмы, предназначенные для передачи энергии, управ­ления и регулирования).

В зависимости от типа гидродвигателя (силовой гидроцилиндр или роторный гидромотор) различают гидроприводы возвратно-посту­пательного и вращательного движения выходного звена. Схема гидропривода может быть открытой (с аккумулирующим рабочую жидкость баком) и закрытой (бак отсутствует, давление в системе больше атмо­сферного). Закрытая схема не применяется при наличии гидроци­линдров.

Литература: [1, с. 411-412]; [2, с. 302-305]; [3, с. 141-155]; [4, с. 290-296; ]

[6, с. 354-360]; [7, с. 8-12]; [8, с. 68-80].

Вопросы для самопроверки

1 Из каких основных частей состоит объемный гидропривод? При­ведите одну из известных конструктивных схем и поясните ее. 2 Что такое открытая и закрытая схемы объемного гидропривода? Приведите схемы, объясните принцип действия и укажите преимущества и не