close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Lab praktikum 2010

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Бийский технологический институт (филиал)
государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
"Алтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова"
А.И. Росляков, Л.В. Ломоносова
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам
Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ
по курсам "Гидравлика", "Гидравлика и гидромашины",
"Основы гидравлики и гидропривода" для студентов специальностей:
ТМ-151001, ВУАС - 170104, АТ - 190603, АПХП - 240706, МАПП-260601, ТГВ - 270109 Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова
2009
УДК 621.221
Рецензент: заведующий кафедрой МАХиПП БТИ АлтГТУ
профессор Куничан В.А.
Работа подготовлена на кафедре "Теплогазоснабжение и вентиляция, процессы и аппараты химической технологии"
Росляков, А.И.
Лабораторный практикум по гидравлике, гидромашинам и гид-
роприводам: методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсам "Гидравлика", "Гидравлика и гидромашины", "Основы гидравлики и гидропривода" для студентов специальностей: ТМ -151001, ВУАС - 170104, АТ - 190603, АПХП - 240706, МАПП -260601, ТГВ - 270109 / А.И. Росляков, Л.В. Ломоносова. - Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. - 137 с.
Лабораторный практикум содержит описание правил, порядка и методики проведения лабораторных работ, иллюстрирующих основные закономерности покоя и движения жидкости, а также перечень вопросов, знание которых необходимо для усвоения разделов "Основы гидравлики и гидропривода", "Гидравлика", "Гидравлика и гидромашины" для студентов механических специальностей.
УДК 624.221
(c)А.И. Росляков, Л.В. Ломоносова , 2009
(c) БТИ АлтГТУ, 2009
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ7
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ8
1.1 Цель работы8
1.2 Подготовка к лабораторной работе8
1.3 Теоретические сведения8
1.4 Оборудование, технические средства и инструменты11
1.5 Описание установки11
1.6 Методика проведения работы12
1.7 Обработка опытных данных14
1.8 Контрольные вопросы14
1.9 Тестовые задания15
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ17
2.1 Цель работы17
2.2 Подготовка к лабораторной работе17
2.3 Теоретические сведения17
2.4 Оборудование, технические средства и инструменты21
2.5 Описание установки21
2.6 Методика проведения опытов22
2.7 Обработка опытных данных23
2.8 Контрольные вопросы24
2.9 Тестовые задания24
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ МЕСТНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ26
3.1 Цель работы26
3.2 Подготовка к лабораторной работе26
3.3 Теоретические сведения26
3.4 Описание установки32
3.5 Методика проведения опытов33
3.6 Обработка опытных данных34
3.7 Контрольные вопросы35
3.8 Тестовые задания36
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ НА ТРЕНИЕ38
4.1 Цель работы38
4.2 Подготовка к лабораторной работе38
4.3 Теоретические сведения38
4.4 Описание установки42
4.5 Методика проведения опытов42
4.6 Обработка опытных данных43
4.7 Контрольные вопросы44
4.8 Тестовые задания45
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ РЕЗЕРВУАРА ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ И НАСАДКИ47
5.1 Цель работы47
5.2 Подготовка к лабораторной работе47
5.3 Теоретические сведения47
5.4 Описание установки50
5.5 Методика проведения опытов51
5.6 Обработка опытных данных54
5.7 Контрольные вопросы54
5.8 Тестовые задания55
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. ДРОССЕЛЬНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ57
6.1 Цель работы57
6.2 Подготовка к лабораторной работе57
6.3 Теоретические сведения57
6.4 Описание установки.......................................................61
6.5 Методика проведения опытов62
6.6 Обработка опытных данных63
6.7 Контрольные вопросы64
6.8 Тестовые задания64
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА67
7.1 Цель работы67
7.2 Подготовка к лабораторной работе67
7.3 Теоретические сведения67
7.4 Оборудование, технические средства и инструменты74
7.5 Описание установки74
7.6 Методика проведения опытов74
7.7 Обработка опытных данных76
7.8 Контрольные вопросы78
7.9 Тестовые задания78
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ И ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА НАСОСОВ НА СЕТЬ80
8.1 Цель работы80
8.2 Подготовка к лабораторной работе80
8.3 Теоретические сведения80
8.4 Оборудование, технические средства и инструменты84
8.5 Описание установки84
8.6 Методика проведения опытов85
8.7 Обработка опытных данных87
8.8 Контрольные вопросы88
8.9 Тестовые задания88
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА91
9.1 Цель работы91
9.2 Подготовка к лабораторной работе91
9.3 Основные сведения91
9.4 Оборудование, технические средства и инструменты96
9.5 Описание установки96
9.6 Методика проведения опытов96
9.7 Обработка опытных данных98
9.8 Контрольные вопросы99
9.9 Тестовые задания100
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ РОТОРНОГО НАСОСА102
10.1 Цель работы102
10.2 Подготовка к лабораторной работе102
10.3 Теоретические сведения102
10.4 Оборудование, технические средства и инструменты112
10.5 Описание установки113
10.6 Методика проведения опытов114
10.7 Обработка опытных данных115
10.8 Контрольные вопросы116
10.9 Тестовые задания117
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11. ДРОССЕЛЬНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ГИДРОПРИВОДА119
11.1 Цель работы119
11.2 Подготовка к лабораторной работе119
11.3 Теоретические сведения119
11.4 Оборудование, технические средства и инструменты.128
11.5 Описание установки129
11.6 Методика проведения опытов130
11.7 Обработка опытных данных132
11.8 Контрольные вопросы133
11.9 Тестовые задания134
Литература136
ВВЕДЕНИЕ
Для успешного изучения ряда профилирующих дисциплин студентам многих химических и механических специальностей необходимо знать основные законы покоя и движения жидкостей. В дальнейшем им достаточно часто приходится применять знания основ гидравлики для инженерного решения конкретных задач. Например, инженеры-механики на предприятиях химической и смежных с ней отраслей промышленности рассчитывают и конструируют всевозможные трубопроводы, резервуары и аппараты, необходимые для перемещения, хранения и переработки жидких и газообразных продуктов, рассчитывают и регулируют режим работы насосов; инженеры-машиностроители используют гидропривод для автоматизации и механизации операций по обработке деталей, резанием и давлением, сборке и упаковке изделий, расфасовке и дозировке сыпучих и жидких продуктов. Широко применяются гидравлические машины, гидро- и пневмоприводы и в других отраслях: в водоснабжении и мелиорации, металлургии и на транспорте, в строительстве и сельском хозяйстве. Поэтому в общеинженерной подготовке студентов большинства химических и механических специальностей курс гидравлики имеет весьма важное значение. Успешному его освоению в значительной мере способствует прохождение студентами лабораторного практикума.
Цель практикума - закрепление теоретического материала по курсу гидравлики, приобретение навыков работы с контрольно-измерительными приборами и другой исследовательской аппаратурой.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ (4 ЧАСА)
1.1 Цель работы:
- определить опытным путем силу гидростатического давления и ее центр давления;
- построить эпюру гидростатического давления. 1.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- выучить определения основных понятий и терминов темы Основные термины и понятия:
- абсолютный покой;
- вакуум;
- гидростатика;
- давление;
- идеальная жидкость;
- избыточное давление;
- массовые силы;
- плотность;
- поверхностные силы;
- поверхность уровня;
- равновесие;
- свободная поверхность;
- центр давления.
1.3 Теоретические сведения
В гидравлике жидкое тело (жидкость) рассматривается как сплошная среда, состоящая из отдельных материальных точек (частиц). Одним из основных свойств жидкости является текучесть. Текучесть заключается в большой подвижности отдельных частиц жидкости относительно друг друга. Проявляется текучесть в том, что жидкость всегда принимает форму того сосуда, в котором она находится, и не воспринимает воздействие сосредоточенных сил.
Все внешние и внутренние силы, воздействующие на жидкость, непрерывно распределены либо по ее объему (массовые силы), либо по поверхности (поверхностные). В результате действия внешних сил внутри покоящейся жидкости возникает нормальное напряжение, равное пределу, к которому стремится отношение силы к площадке (рисунок 1.1), на которую она действует, при стремлении величины площадки к нулю, т.е. при стягивании площадки в точку
Гидростатическим давлением называются нормальные напряжения, возникающие в жидкости под действием внешних сил.
Оно характеризуется двумя свойствами:
- гидростатическое давление в точке действует по нормали к площадке действия и направлено внутрь рассматриваемого объема жидкости, то есть является сжимающим;
- величина давления в данной точке одинакова по всем направлениям, то есть не зависит от угла наклона площадки, на которую оно действует.
Величина гидростатического давления (см. рисунок 1.1) зависит от глубины погружения (h) рассматриваемой точки в объем жидкости, удельного веса жидкости  и величины давления в объеме над свободной поверхностью и подсчитывается по основному уравнению гидростатики:
, (1.1)
где  - удельный вес жидкости, равный произведению плотности на ускорение свободного падения, Н/м3.
Графическое изображение зависимости гидростатического давления от глубины погружения называется эпюрой давления (рисунок 1.2). Эпюра гидростатического давления, действующего на вертикальную плоскую стенку, находящуюся под напором жидкости, имеющей глубину h, строится следующим образом. За начало координат принимается точка пересечения уровня поверхности жидкости со стенкой ОА. По горизонтальной оси, совпадающей с направлением гидростатического давления, откладываются в выбранном масштабе избыточные гидростатические давления, а по вертикальной оси - соответствующие глубины жидкости h. Первую точку берут на поверхности жидкости, где h=0 и = pа. Вторую точку - у дна, где давление
Полученные точки соединяют прямой линией. В результате получают эпюру избыточного гидростатического давления на плоскую вертикальную стенку в виде треугольника. Аналогично строится эпюра абсолютного давления. Однако на практике более важное значение имеют силы, возникающие от действия жидкости на различные стенки.
Например, сила гидростатического давления (F) жидкости на плоскую стенку, погруженную в жидкость (см. рисунок 1.1), равна произведению площади поверхности S на величину гидростатического давления рс на глубине hc погружения центра тяжести рассматриваемой поверхности:
, или
. (1.2)
Таким образом, результирующая сила складывается из двух составляющих:
- силы давления в объеме над свободной поверхностью:
;
- силы Fc весового давления на глубине погружения центра тяжести
.
Давление р0, приложенное к свободной поверхности, передается всем точкам жидкости по всему объему во всех направлениях без изменения величины (закон Паскаля), то есть одинаково в любой точке рассматриваемого объема жидкости. Поэтому составляющая приложена в центре тяжести (точка С) рассматриваемой площадки. Напротив, весовое давление (см. формулу (1.1) и рисунок 1.1) прямо пропорционально глубине погружения. Поэтому точка приложения составляющей Fc (точка D) будет находиться в центре эпюры избыточного давления (треугольника), расположенном ниже центра тяжести площадки. Величина смещения точки D относительно центра тяжести определяется по формуле
, (1.3)
где Iс - момент инерции площадки S относительно оси, проходящей через ее центр тяжести, м4;
hс - глубина погружения центра тяжести площадки, м;
S - площадь рассматриваемой площадки, м2.
Точка приложения результирующей силы F гидростатического давления находится между точками D и C. 1.4 Оборудование, технические средства и инструменты
Для проведения лабораторной работы необходимы:
- установка для проведения опыта;
- линейка.
1.5 Описание установки
Основным элементом установки (рисунок 1.3) является резервуар 1, заполняемый в ходе опытов водой, подаваемой насосом 2. Для контроля и измерения уровня жидкости в резервуаре имеется смотровое окно 3 со шкалой 4. Для опорожнения резервуара в днище имеется патрубок с вентилем 5. В боковой стенке резервуара выполнено круглое отверстие, закрываемое заслонкой 6, подвешенной на оси 7. К заслонке присоединен рычаг 8, по которому перемещается груз 9. 1 - резервуар; 2 - насос; 3 - пьезометрическая трубка; 4 - шкала;
5 - кран; 6 - заслонка; 7 - ось; 8 - рычаг; 9 - груз
Рисунок 1.3 - Схема установки
1.6 Методика проведения работы
Закрыв кран 5 (см. рисунок 1.3) и придерживая заслонку 6 в закрытом состоянии с помощью рычага 8, включают насос 2 и заполняют резервуар 1 водой на высоту от 0,3 до 0,5 м. Затем выключают насос и устанавливают груз 9 на рычаг 8 на определенном расстоянии lG от заслонки. Открывают вентиль 5 и фиксируют уровень жидкости (Н) в момент открывания заслонки. Для каждого плеча lG опыт повторяется не менее трех раз. Среднее значение Н заносится в таблицу 1.1.
Во время открытия заслонки момент силы гидростатического давления MF относительно оси 7 приблизительно равен моменту веса груза МG относительно той же оси: MF = MG или
, (1.4)
где F - сила гидростатического давления, Па;
lF - плечо силы F, м;
G - вес груза, Н (20 Н);
1G - плечо груза G, м.
При условии = ра (резервуар открыт в атмосферу) сила гидростатического давления
(1.5)
Плечо силы F рассчитывается по формуле (см. рисунок 1.3)
, (1.6)
где , м4;
d - диаметр заслонки, м;
d0 - диаметр отверстия, м;
b1 - расстояние от оси 7 закрепления заслонки до верхней кромки заслонки, м;
S - площадь заслонки, м.
(1.7)
Полагая, что S  , подставим найденные значения силы F и ее плеча lF в формулу (1.5), получим:
, (1.8)
откуда найдем расчетное значение глубины погружения центра тяжести заслонки:
(1.9)
1.7 Обработка опытных данных
1.7.1 По формуле (1.9) находят расчетное значение и сравнивают его со значением , найденным из опытов:
,
где Н - высота жидкости в резервуаре в момент открывания заслонки, м.
1.7.2 Определяют гидростатическое давление по формуле (1.1) и силу гидростатического давления по формуле (1.5), приняв S=.
1.7.3 Определяют величину смещения центра давления относительно центра тяжести заслонки по формуле (1.3). Результаты вычислений вносят в таблицу 1.1.
1.7.4 Строят опытную и расчетную зависимости силы гидростатического давления от расчетной глубины погружения центра тяжести.
1.7.5 Строят эпюру гидростатического давления.
Таблица 1.1 - Опытные и расчетные данные
Наименование величиныДлина плеча lG , м д Высота столба воды Н, м Глубина погружения центра тяжести из опыта м Глубина погружения центра тяжести расчетная hc, м Гидростатическое давление опытное р´, Па Гидростатическое давление расчетное р, Па Сила гидростатического давления опытная F´, H Сила гидростатического давления расчетная F, H Смещение центра давления относительно центра тяжести е, м 1.8 Контрольные вопросы
1. Перечислите основные свойства жидкостей. Каково влияние температуры и давления на вязкость капельных жидкостей и газов?
2. В чем заключается и проявляется текучесть жидкости?
3. Определите понятие идеальной и реальной жидкости.
4. Определите понятие относительного и абсолютного покоя.
5. Какие силы действуют на жидкость, находящуюся в состоянии относительного покоя? 6. Что называется гидростатическим давлением? Каковы свойства гидростатического давления? 7. Что такое давление абсолютное, избыточное, вакуум?
8. Каково основное уравнение гидростатики? Закон Паскаля.
9. Что называется эпюрой гидростатического давления?
10. Что называется поверхностью уровня?
11. Как определяется сила, действующая на плоскую поверхность, погруженную в жидкость, и где она приложена?
12. Чем обусловлено смещение точки приложения силы избыточного давления относительно центра тяжести?
1.9 Тестовые задания
1. Определить абсолютное давление на дно резервуара, если избыточное давление на поверхности воды в резервуаре Pизб =0,16 МПа. Высота жидкости Н=10 м. Принять рa=760 мм. рт. ст., g=9,8 м/с2.
а) 0,26 МПа; б) 3,2 МПа;
в) 0,36 МПа; г) 0,1 МПа.
2. Основное уравнение гидростатики имеет вид:
Какова размерность каждого слагаемого?
а) м; б) Н/м2;
в) кг/м3; г) м/с2.
3. Что называется плотностью жидкости?
а) Вес жидкости в единице объема;
б) относительное изменение объема жидкости при изменении давления на 1Па;
в) масса жидкости в единице объема;
г) относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на градус.
4. Чему равно давление величиной 1 Па?
а) 1 Н/м2; б) 110 Н/м2;
в) 10 Н/м2; г) 100 Н/м2.
5. Что называется гидростатическим давлением?
а) Предел отношения элементарной силы давления к элементарной площадке, на которую действует эта сила в направлении нормали, когда площадь стремится к нулю;
б) отношение силы тяжести к поверхности;
в) отношение силы тяжести жидкости к ее объему;
г) отношение силы тяжести к поверхности, на которую действует эта сила в направлении нормали.
6. Что называется коэффициентом объемного сжатия?
а) Вес жидкости в единице объема;
б) относительное изменение объема жидкости при изменении давления на 1 Па;
в) масса жидкости в единице объема;
г) относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на градус.
7. Что называется удельным весом жидкости?
а) Вес жидкости в единице объема;
б) относительное изменение объема жидкости при изменении давления на 1 Па;
в) масса жидкости в единице объема;
г) относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на градус.
8. Определить, что больше: избыточное давление в 1,5 ат. или абсолютное давление в 2 ат. Ответ обосновать.
а) Ризб > Рабс; б) Рабс > Ризб; в) Рабс = Ризб.
9. Укажите выражение для гидростатического давления в точке:
10. Сила давления жидкости на плоскую вертикальную стенку поверхности S равна: Дайте определение величины hc:
а) глубина погружения центра тяжести поверхности;
б) высота вертикальной стенки;
в) 1/2 высоты вертикальной стенки;
г) 1/3 высоты вертикальной стенки.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
(4 ЧАСА)
2.1 Цель работы:
- пронаблюдать картину движения подкрашенной струи в потоке воды при ламинарном и турбулентном режимах движения в круглой и прямоугольной трубах; отметить при этом переход движения из ламинарного в турбулентное и состояние уровня воды в пьезометрических трубках;
- определить значения числа Рейнольдса.
2.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- выучить определения основных понятий и терминов темы.
Основные термины и понятия:
- внутренняя задача гидродинамики;
- вязкий подслой;
- вязкость;
- вязкость динамическая;
- вязкость кинематическая;
- вязкость турбулентная;
- живое сечение потока;
- идеальная жидкость;
- ламинарный режим;
- масштаб турбулентности;
- объемный расход;
- пограничный слой;
- смоченный периметр;
- средняя скорость движения жидкости;
- турбулентный режим;
- эквивалентный диаметр.
2.3 Теоретические сведения
2.3.1 Режимы движения реальной жидкости
Опыты показывают, что любой вид движения вязкой жидкости может иметь два режима: ламинарный (слоистый) и турбулентный (вихревой).
Ламинарным называется такой режим движения жидкости, при котором в любой точке потока отсутствуют пульсации скорости и давления. При таком режиме движения уровни жидкости в пьезометрических трубках, присоединенных к каналу, в котором движение является установившимся, остаются неизменными во времени. При движении жидкости в ламинарном режиме отдельные слои потока имеют разную скорость (рисунок 2.1а) и как бы скользят друг относительно друга.
Рисунок 2.1 - Режимы движения жидкостей: ламинарный (а)
и турбулентный (б)
Турбулентным называется режим движения жидкости, при котором в центральной части потока (ядре) (рисунок 2.1б) и скорость, и давление пульсируют во времени относительно некоторого значения. Поэтому уровень жидкости в пьезометрической трубке, присоединенной к каналу, колеблется относительно некоторого среднего положения. При движении жидкости в турбулентном режиме в ядре потока, наряду с основным продольным перемещением жидкости вдоль канала, имеют место поперечные перемещения и вращательное вихревое движение отдельных объемов потока. Такой характер движения можно наблюдать, вводя в поток бесцветной жидкости, например воды, подкрашенную струйку. Напротив, в весьма тонком слое жидкости, непосредственно прилегающем к внутренней поверхности канала, движение является ламинарным, т.е. без перемешивания, пульсации скорости и давления.
2.3.2 Основные характеристики турбулентного потока
Структура турбулентного потока определяется скоростью его движения, физическими свойствами жидкости, формой и размерами ограничивающих поток стенок канала и другими факторами. Отдельные элементы турбулентного потока - вихри - совершают хаотические неустановившиеся движения. Вихрь - это группа частиц, вращающихся вокруг одной мгновенной оси с одинаковой угловой скоростью. В процессе турбулентного течения вихри непрерывно возникают и распадаются. Глубина их проникновения до разрушения называется масштабом турбулентности. Масштаб турбулентности во многом определяется внешними условиями течения (например, диаметром трубопровода или канала).
Вихри пульсируют относительно их среднего положения в текущей жидкости. Аналогично пульсирует и мгновенная скорость в данной точке потока. Беспорядочное перемещение вихрей приводит к интенсивному перемешиванию жидкости по сечению потока. Пульсации - наиболее характерный признак турбулентности.
Одним из свойств турбулентного потока является турбулентная вязкость; в отличие от молекулярной вязкости она зависит от всех параметров, характеризующих турбулентность, поэтому средняя турбулентная вязкость потока значительно превосходит молекулярную вязкость.
Турбулентный поток условно подразделяют на ядро и пограничный слой, в котором происходит переход турбулентного движения в ламинарное.
На рисунке 2.2 изображена модель структуры турбулентного потока.
Рисунок 2.2 - Модель структуры поперечного сечения турбулентного потока
График профиля скорости (рисунок 2.2) позволяет выявить несколько областей, на которые можно разделить течение в канале:
а) вязкий подслой - изменение средней скорости определяется значением коэффициента молекулярной вязкости практически линейно, как и в ламинарном потоке;
б) переходный слой - вязкие и турбулентные напряжения сравнимы по величине; происходит резкое затухание турбулентности;
в) полностью турбулентный слой - на течение еще влияет эффект стенки, однако турбулентность развита уже в такой степени, что вязкими напряжениями можно пренебречь;
г) турбулентное ядро - поток полностью турбулентен; масштаб турбулентности обусловлен определяющим параметром канала (диаметром трубы).
Эти четыре области можно объединить следующим образом. Области 1 и 2 составляют вязкий слой - область вязкого течения (III), т.е. область, в которой вязкость играет значительную роль в возникновении трения. Области 3 и 4 образуют область полностью турбулентного течения (II). В этой области масштаб турбулентности не зависит от вязкости.
Области 1, 2 и 3 образуют пограничный слой - пристеночную область (I), в которой происходит переход турбулентного движения в ламинарное.
2.3.3 Распределение скоростей по сечению потока
Сравнение кривых на рисунке 2.3 показывает, что при турбулентном движении распределение скоростей (усредненных по времени) в поперечном сечении потока более равномерно, а нарастание скорости у стенок более крутое, чем при ламинарном режиме.
а б
1 - ядро потока; 2 - ламинарный слой
Рисунок 2.3 - Профиль скоростей в ламинарном (а)
и турбулентном (б) потоках
При ламинарном режиме движения имеет место параболическое распределение скоростей в сечении трубопровода. При этом средняя скорость жидкости равна половине скорости по оси трубы. Средняя же скорость при турбулентном потоке колеблется в пределах от 0,8 до 0,9wmax.
Судить о режиме движения жидкости в трубе с любой формой поперечного сечения можно по значению числа Рейнольдса:
, (2.1)
где υср - осредненная по времени скорость движения жидкости, м/с;
 - коэффициент динамической вязкости, Па·с;
 - плотность жидкости, кг/м3;
dэк - эквивалентный диаметр канала, м.
Число Рейнольдса Reкр, соответствующее переходу режима из ламинарного в турбулентный, называется критическим.
Численное значение Reкр зависит от формы поперечного сечения и чистоты внутренней поверхности канала, а также от условий, в которых находится канал. Например, для круглых гладких труб, находящихся в особых лабораторных условиях, когда отсутствуют факторы, способствующие турбулизации потока (толчок, вибрация, удар и т.д.), Reкр=2320. Поэтому ламинарный режим движения в круглых трубах имеет место, когда Re<2320, турбулентный - при Re>2320. На практике, как правило, имеются условия, способствующие турбулизации потока: пульсация подачи, местные сопротивления, вибрация труб и т.д. Поэтому в большинстве практических случаев значения Rекр оказываются несколько, а иной раз и существенно, меньше значений, полученных в обычных лабораторных условиях.
2.4 Оборудование, технические средства и инструменты
Для проведения лабораторной работы необходимы:
- установка для проведения опыта;
- окрашенная жидкость;
- секундомер.
2.5 Описание установки
Основным элементом установки является бак 1 (рисунок 2.4). С ним герметично соединены две горизонтальные трубы с прозрачными стенками круглого 2 и прямоугольного 3 сечений. На концах труб установлены вентили 5, 6, с помощью которых регулируется расход жидкости, протекающей в каждой трубе. Расход можно определить, измерив объем жидкости, протекающей через счетчик 7 за какой-то фиксированный промежуток времени.
Чтобы обеспечить установившееся движение жидкости в трубах, ее уровень в баке поддерживается постоянным за счет сброса излишней жидкости через переливную трубу 4 в канализацию. Для этого расход воды, поступающей в бак, должен немного превышать расход жидкости, вытекающей из бака по трубам.
Для подачи подкрашенной жидкости внутри труб на достаточно большом расстоянии от входа осесимметрично установлены трубки малого диаметра. Жидкость в них подается из сосуда 8 с помощью кранов 9, 10.
1 - бак; 2 - труба круглого сечения; 3 - труба прямоугольного сечения;
4 - труба переливная; 5, 6 - вентили; 7 - счетчик объема жидкости;
8 - сосуд с подкрашенной жидкостью; 9, 10 - краны
Рисунок 2.4 - Схема лабораторной установки
2.6 Методика проведения опытов
Убедившись, что установка подготовлена к работе (сосуд 8 наполнен подкрашенной жидкостью, шланги от переливной трубы 4 и от выхода труб 2, 3 направлены в канализацию), закрывают вентили 5, 6 и включают подачу жидкости из водопровода в бак 1. После того, как уровень жидкости в баке достигнет переливной трубы, открывают вентиль 5 и с помощью секундомера и счетчика объема 7 определяют расход жидкости в круглой трубе. Затем открывают кран 9 и наблюдают движение подкрашеной струйки в основном потоке жидкости. Закончив наблюдение, кран 9 закрывают. Опыты проводят при пяти различных степенях открытия дросселя. Причем сначала степень открытия постепенно увеличивают, а затем, наоборот, постепенно уменьшают. Важно при этом зафиксировать, при каком расходе происходит переход от ламинарного режима к турбулентному, и наоборот. Аналогично проводят опыты в трубе прямоугольного сечения. Вентиль 5 для этого нужно закрыть.
Результаты измерений заносят в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 - Определение числа Рейнольдса
Наименование, обозначение и размерность величинНомер опыта12345Круглая трубаЧисло делений по шкале ротаметра m, делОбъемный расход воды Q, м3/сПлотность воды , кг/м3Вязкость динамическая , Па сПлощадь живого сечения потока S, м2Смоченный периметр Псм , мЭквивалентный диаметр dэк , мСкорость, осредненная по сечению ср, м/сЧисло Рейнольдса опытное ReЧисло Рейнольдса справочное Re'крПрямоугольная трубаТо же 2.7 Обработка опытных данных
Используя опытные данные, вычисляют следующие величины.
2.7.1 Осредненная по сечению потока скорость движения воды
,
где ...Q - объемный расход воды, м3/с;
S - площадь живого сечения потока, м2 .
2.7.2 Эквивалентный диаметр канала
,
где Псм - смоченный периметр канала, м.
Смоченным периметром называется часть периметра поперечного сечения канала, в пределах которого внутренняя поверхность его смачивается жидкостью.
В случае полного заполнения канала жидкостью понятия периметр и смоченный периметр, а также живое сечение потока и поперечное сечение канала совпадают.
Число Рейнольдса рассчитывают по формуле 2.1.
Значения критического числа Рейнольдса, найденные из опытов, сравниваются со значениями, приведенными в технической литературе.
Расчетные величины заносят в таблицу 2.1.
2.8 Контрольные вопросы
1. Что изучает гидродинамика? 2. Что является движущей силой при течении жидкостей?
3. Приведите дифференциальные уравнения движения Эйлера. 4. Приведите уравнение Бернулли для идеальной жидкости.
5. Какие режимы движения жидкостей существуют? По каким признакам можно судить о режиме движения жидкости?
6. Каков характер движения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах движения? При каком режиме скорость наиболее равномерно распределена по сечению потока?
7. Приведите характеристики турбулентного потока.
8. Какова структура турбулентного потока?
9. От чего зависит значение числа Рейнольдса?
10. В каком случае совпадают понятия: живое сечение потока и поперечное сечение канала; геометрический и смоченный периметр канала?
2.9 Тестовые задания
1. Какое значение числа Рейнольдса соответствует устойчивому ламинарному режиму движения жидкости по прямым гладким трубам?
а) ; б);
в) ; г).
2. Как называется движение жидкости, при котором все ее частицы движутся по параллельным траекториям?
а) переходным; б) ламинарным;
в) турбулентным; г) неустойчивым.
3. Какое выражение является критерием Рейнольдса?
а) ; б) ;
в) ; г) .
4. Укажите признаки турбулентного течения:
а) слоистое течение без перемешивания частиц жидкости;
б) течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием частиц жидкости;
в) упорядоченное течение без пульсаций скоростей и давления;
г) хаотическое течение с пульсациями скоростей и давления.
5. Укажите размерность коэффициента динамической вязкости в системе единиц СИ:
а) дин с/см2; б) Н . с/м2; в) Пуаз; г)кгс . с/м2.
6. Что определяет режим течения в трубах:
а) скорость; б) диаметр трубы; в) вязкость жидкости;
г) число Рейнольдса?
7. На чём основана теория ламинарного течения:
а) на законе трения Ньютона; б) на законе Паскаля; в) на законе сохранения энергии; г) на законе всемирного тяготения?
8. Что является движущей силой при течении жидкостей:
а) вес; б) масса; в) разность давлений; г) давление?
9. Как выглядит эпюра скоростей ламинарного течения?
а) б)
в)г)
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ МЕСТНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
(4 ЧАСА)
3.1 Цель работы:
- определить опытным путем численные значения коэффициентов местных гидравлических сопротивлений;
- характер зависимости коэффициентов местных сопротивлений от числа Рейнольдса при различных режимах движения жидкости.
3.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- выучить определения основных понятий и терминов темы.
Основные термины и понятия:
- гидродинамический напор;
- гидростатический напор;
- идеальная жидкость;
- местные сопротивления;
- объемный расход;
- полная удельная энергия;
- "потерянный" напор;
- пьезометрическая высота;
- пьезометрический напор;
- скоростной напор;
- средняя скорость движения жидкости.
3.3 Теоретические сведения
При движении идеальной жидкости в закрытых руслах и каналах (трубопроводах) полный напор вдоль потока остается величиной постоянной. Идеальная жидкость - гипотетическая несжимаемая жидкость, обладающая абсолютной подвижностью частиц и отсутствием сил сцепления между ними. Согласно уравнению Бернулли это выражается следующим образом:
(3.1)
где z - геометрический напор, м;
р/ρg - пьезометрический напор, м; 2 /2g - скоростной напор, м;
H - полный напор, м.
Если умножить все члены уравнения (3.1) на ускорение свободного падения g, то получим баланс удельной механической энергии:
(3.2)
где gz - удельная потенциальная энергия положения, Дж/кг;
p/ρ - удельная потенциальная энергия давления, Дж/кг;
2/2 - удельная кинетическая энергия, Дж/кг;
gH - полная удельная механическая энергия, Дж/кг.
Таким образом, уравнение Бернулли в форме (3.2) выражает закон сохранения механической энергии при движении идеальной жидкости. При этом если удельная потенциальная энергия положения и удельная кинетическая энергия в равной степени свойственны и твердым, и жидким телам, то удельная потенциальная энергия давления присуща только жидким и газообразным телам, то есть энергия давления является специфической формой энергии для движущихся жидкостей и газов.
Реальная жидкость обладает вязкостью. Поэтому при ее движении в закрытых каналах возникают касательные напряжения вследствие трения слоев жидкости между собой и о стенки канала. Кроме того, движение вязкой жидкости часто сопровождается вращением частиц, вихреобразованием и перемешиванием, особенно в местах, где происходит изменение живого сечения или направления движения потока. Все это требует затраты энергии, поэтому удельная энергия при движении вязкой жидкости не остается постоянной. С учетом неравномерного распределения скоростей по сечению потока и потерь энергии на преодоление сопротивления уравнение Бернулли для реальной (вязкой) жидкости приобретает вид: (3.3)
где ср - средняя по сечению скорость жидкости, м/с;
α - коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению;
∑hn - суммарные потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений на рассматриваемом участке, м.
Потери напора (энергии) на преодоление гидравлических сопротивлений, или как их часто называют гидравлические потери, зависят от формы, размеров русла, скорости течения и вязкости жидкости. При этом вязкость жидкости хотя и является первопричиной всех гидравлических потерь, но далеко не всегда оказывает существенное влияние на их величину.
Физический смысл коэффициента потерь заключается в отношении потерянного напора к скоростному.
Гидравлические потери обычно разделяют на местные потери и потери на трение по длине:
(3.4)
Местные потери hм обусловлены так называемыми местными гидравлическими сопротивлениями, т.е. местными изменениями формы, размеров или направления русла, вызывающими деформацию потока.
Потери на трение обусловлены вязкостным трением слоев жидкости между собой и о стенки канала. Они возникают в прямых трубах постоянного сечения, т.е. при равномерном течении, и возрастают пропорционально длине трубы.
Местными гидравлическими сопротивлениями называются элементы (участки) трубопроводов, на которых происходит резкая деформация потока вследствие изменения размеров, формы сечения или направления русла, в результате которой нарушается равномерность течения. Протекание жидкости через местные сопротивления сопровождается изменением скорости потока, отрывом потока от стенок канала, вихреобразованием. Вихри образуются за местом отрыва потока от стенок и представляют собой области, в которых частицы жидкости движутся по замкнутым или близким к ним траекториям.
Простейшие местные гидравлические сопротивления можно разделить на расширения, сужения и повороты русла, каждое из которых может быть внезапным или постепенным. Более сложные представляют собой соединения или комбинации простых.
Примерами местных сопротивлений могут служить устройства, изображенные на рисунке 3.1.
Потери напора в местных гидравлических сопротивлениях называются местными потерями. Они определяются по формуле Вейсбаха:
(3.5)
где ξм - коэффициент местного гидравлического сопротивления.
а б в
г д е
а  постепенное расширение; б  внезапное сужение;
в  колено; г  задвижка; д  диафрагма; е  вентиль
Рисунок 3.1 - Схемы местных гидравлических сопротивлений
Потери энергии потока всегда сопряжены с потерей (падением) давления. Величина потерь давления в местном сопротивлении определяется по формуле
, (3.6) где ρ - плотность жидкости, кг/м3.
Численное значение коэффициента ξм местного сопротивления при турбулентном режиме движения жидкости зависит от формы (вида) местного сопротивления, но мало изменяется (для одного и того же вида сопротивления) с изменением его абсолютных размеров, а также с изменением скорости потока, плотности и вязкости жидкости, то есть с изменением числа Рейнольдса. Напротив, при ламинарном режиме значения коэффициента местного сопротивления изменяются не только с изменением формы и абсолютных размеров сопротивления, но и зависят от числа Рейнольдса.
Для большинства местных сопротивлений зависимость коэффициента местного сопротивления от числа Рейнольдса имеет вид, показанный на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 - Зависимость коэффициента местного
сопротивления ξм от числа Рейнольдса Re
Как видно из графика, при Re<100 характер зависимости может быть выражен формулой
где Аф - постоянный коэффициент, определяемый в зависимости от вида местного сопротивления из справочника.
При 102 <Re<104 имеет место область переходного режима с разбросом точек. Тем не менее, значение ξм в этой области можно вычислить по формуле
где - коэффициент местного сопротивления при турбулентном режиме, то есть при Re>104. Численные значения коэффициента для местных сопротивлений, наиболее часто встречающихся на практике, приведены в справочной технической литературе. Для некоторых простых сопротивлений значения коэффициента местного сопротивления могут быть вычислены по формулам. Так, для внезапного расширения значение вычисляется по формуле Борда:
; (3.7)
- для внезапного сужения  по формуле Альтшуля:
; (3.8)
- для постепенного поворота, или закругленного колена (отвода): , (3.9)
где S1 и S2 -площадь сечения трубопровода до и после местного сопротивления соответственно, м;
d - диаметр трубопровода, м;
R - радиус кривизны отвода, м.
При экспериментальных исследованиях потери напора в местных сопротивлениях, расположенных в пределах участка трубопровода, сечение которого по площади и форме одинаково по длине (см. рисунок 3.1 в, г, д, е), могут быть измерены непосредственно как разность ∆h высот h1 и h2 уровней жидкости в пьезометрических трубках (коленах дифференциального манометра), подключенных к трубопроводу в сечениях до и после местного сопротивления, так как скоростной напор потока в них одинаков, то есть
. (3.10)
Напротив, не представляется возможным непосредственно измерить потери напора в местных сопротивлениях, расположенных в пределах участка трубопровода, площадь и форма поперечного сечения которого не одинакова по длине (см. рисунок 3.1 а, б), так как скоростной напор в сечениях до и после сопротивления не одинаков.
В таком случае потери напора вычисляются по формуле
, (3.11)
где α =1, если режим движения турбулентный;
α =2, если режим движения ламинарный стабилизированный;
1<α<2, если режим движения ламинарный нестабилизированный или переходный.
Значения коэффициента Кориолиса для нестабилизированного ламинарного и переходного режимов следует определять по графику (рисунок 3.3) в зависимости от числа Рейнольдса и внутреннего диаметра трубы. Ламинарное движение является нестабилизированным в сечениях канала, находящихся за местным сопротивлением на расстоянии, меньшем длины участка стабилизации. Длина участка стабилизации может быть определена по формуле
3.4 Описание установки
Экспериментальная установка (рисунок 3.4) является частью лабораторного стенда и представляет собой замкнутый контур, включающий в себя ряд последовательно соединенных элементов: насос 1, ротаметр 2, напорный трубопровод 3, трубопроводы А и В, включенные параллельно, счетчик 5 и резервуар 4. Чтобы жидкость циркулировала только в этом контуре, необходимо закрыть вентили 6, 9 и открыть вентили 8, 11.
Затем, в зависимости от вида исследуемых местных сопротивлений, открывается либо вентиль 12 (вентиль 10 при этом закрывается), либо вентиль 10 (вентиль 12 при этом закрывается). Таким образом, жидкость движется либо по трубопроводу А, либо по трубопроводу В. Расход жидкости в контуре устанавливается с помощью вентиля 13 и фиксируется с помощью ротаметра 2. Для этого на ротаметре имеется шкала. Число делений по шкале ротаметра определяется по верхнему пояску поплавка. Расход можно определить, измерив объем жидкости, протекающей через счетчик 5 за какой-то фиксированный промежуток времени, либо время, в течение которого через счетчик протекает заданный объем, например, 5 литров. Для определения потерь пьезометрического напора в местных сопротивлениях установка снабжена измерительным стендом 14, на котором установлены U-образные дифференциальные манометры. При этом каждое местное сопротивление и соответствующий дифманометр имеют одинаковое цифровое обозначение.
1 - насос; 2 - ротаметр; 3 - трубопровод напорный; 4 - резервуар; 5 - счетчик объема жидкости; 6-13 - вентили; 14 - измерительный стенд
Рисунок 3.4 - Схема лабораторной установки
3.5 Методика проведения опытов
Чтобы жидкость циркулировала только в трубопроводе В, необходимо закрыть вентили 6, 9 и открыть вентиль 8, 11.
Визуально осмотрев установку и найдя в исправном состоянии все ее элементы, запускают электродвигатель насоса 1. Затем, постепенно открывая вентиль 13, обеспечивают циркуляцию воды в контуре с заданными местными сопротивлениями. Плавно изменяя положение маховика вентиля, устанавливают необходимое число делений по шкале ротаметра 2 (число делений задается преподавателем) и затем измеряют разность уровней жидкости в коленах дифманометров, соответствующих заданным местным сопротивлениям. Кроме того, с помощью секундомера и счетчика объема 7 определяют расход жидкости в трубе.
Опыты проводят при пяти значениях расхода воды. Результаты всех измерений и наблюдений сводят в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 - Определение коэффициентов местных сопротивлений
Наименование, обозначение и размерность величиныНомер опыта12345Диаметр трубы: до местного сопротивления d1, м
после местного сопротивления d2, мПлощадь живого сечения потока:
до местного сопротивления S1, м²
после местного сопротивления S2, м²Объемный расход:
m, делений шкалы ротаметра Q, м3/сСредняя скорость:
до местного сопротивления υср1, м/с
после местного сопротивления υср2, м/с Число Рейнольдса:
до местного сопротивления Re1 после местного сопротивления Re2Коэффициент Кориолиса:
до местного сопротивления α1
после местного сопротивления α2Разность уровней жидкости в дифманометре ∆h, м Потери напора в местном сопротивлении hм, мКоэффициент местного сопротивления опытный ξмКоэффициент местного сопротивления расчетный (по справочнику) ξм' 3.6 Обработка опытных данных
Для потока воды в прямых круглых трубах применительно к сечениям, в которых подключены колена дифманометров, определяются численные значения следующих параметров.
3.6.1 Средняя скорость потока воды
,
где Q - объемный расход воды в трубопроводе, м3/с;
S - площадь живого сечения потока, м2.
Для определения площади необходимо измерить наружный диаметр трубопровода и, отняв от него две толщины стенки, вычислить внутренний диаметр. Толщину стенки можно принять равной 5 мм. 3.6.2 Число Рейнольдса
,
где d - внутренний диаметр трубы, м;
ν - кинематическая вязкость воды, м2/с.
3.6.3 Коэффициент местного сопротивления расчетный ξм определяют по справочным данным в зависимости от числа Рейнольдса, либо по формулам (3.7)  (3.9) при турбулентном режиме движения.
3.6.4 Потери напора в местном сопротивлении рассчитывают по формуле (3.6).
3.6.5 Коэффициент Кориолиса определяют, пользуясь рисунком 3.3.
3.6.6 Затем по формулам (3.10), (3.11) вычисляют потери напора в местных сопротивлениях опытные и по формуле (3.5) опытный коэффициент местного сопротивления.
3.6.7 По результатам вычислений строят расчетные и опытные графики зависимости ξм = f(Re) для каждого местного сопротивления.
3.6.8 Значения коэффициентов, полученные опытным путем, сравнивают с расчетными значениями и определяют среднюю относительную погрешность в процентах.
3.7 Контрольные вопросы
1. Приведите уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкостей.
2. Какими формами механической энергии обладает поток жидкости? Какая из этих форм является специфической для жидкостей и газов?
3. Что называется местным сопротивлением? Виды местных сопротивлений.
4. Какова физическая природа потерь напора в различных местных сопротивлениях?
5. От чего зависит величина потерь напора в местных сопротивлениях?
6. Что называют коэффициентом местных сопротивлений?
7. От чего зависит численное значение коэффициента гидравлических потерь в местных сопротивлениях?
8. Можно ли измерить потери напора, если площадь поперечного сечения до и после местного сопротивления не одинакова?
9. Что представляет собой коэффициент Кориолиса? Зависит ли численное значение коэффициента Кориолиса от режима движения жидкости?
3.8 Тестовые задания
1. Какая жидкость называется идеальной?
а) Абсолютно несжимаемая под действием давления;
б) абсолютно несжимаемая под действием давления не изменяет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью;
в) обладает вязкостью;
г) изменяет плотность при изменении температуры.
2. Какую величину в уравнении Бернулли называют гидродинамическим напором ?
.
3. Какие члены уравнения Бернулли характеризуют потенциальную энергию потока?
а) б) в) г).
4. Основное уравнение гидростатики представляет собой частный случай закона сохранения и превращения энергии, а именно: удельная потенциальная энергия во всех точках покоящейся жидкости есть величина постоянная.
Укажите размерность потенциальной энергии положения в системе единиц СИ:
а) кг; б) Н; в) м; г) Н/м2.
5. Расчетное уравнение для определения суммарных потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений на рассматриваемом участке: где hМ - это:
а) местные потери; б) гидравлические потери на трение;
в) общие потери. 6. Какой критерий является мерой отношения изменений силы гидравлического давления к силе инерции подобных потоков:
а) критерий Рейнольдса; б) критерий Фруда;
в) критерий Эйлера; г) критерий гомохронности?
7. Укажите расчётное уравнение для определения потери напора в местных сопротивлениях:
а) б) в) г) .
8. В формуле Вейсбаха для потерь напора в местных сопротивлениях ξ - это:
а) коэффициент расхода жидкости; б) коэффициент напора жидкости; в) коэффициент местного сопротивления; г) коэффициент шероховатости в местном сопротивлении.
9. От чего зависит коэффициент местного сопротивления при турбулентном режиме?
а) от числа Рейнольдса; б) от вида местного сопротивления;
в) от шероховатости внутренней поверхности трубопровода;
г) от размеров трубопровода.
10. Укажите выражение Бернулли для вязкой несжимаемой жидкости:
а) б) в) г).
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ НА ТРЕНИЕ (4 ЧАСА)
4.1 Цель работы:
- иллюстрация уравнения Бернулли и демонстрация пьезометрической линии;
- определение численных значений коэффициентов гидравлических потерь на трение;
- определение характера зависимости гидравлических потерь на трение и коэффициента потерь от числа Рейнольдса, средней скорости и расхода потока.
4.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- выучить определения основных понятий и терминов темы.
Основные термины и понятия:
- автомодельный режим движения;
- внутренняя задача гидродинамики;
- вязкость;
- гидродинамический напор;
- гладкое течение;
- зона стабилизации;
- коэффициент гидравлических сопротивлений;
- "потерянный напор".
4.3 Теоретические сведения
Гидравлические потери на трение - потери при движении жидкости в прямых каналах, трубах (рисунок 4.1), поперечное сечение которых постоянно по форме и площади. Потери на трение обусловлены вязкостным трением слоев жидкости, движущихся внутри потока с разной скоростью, а также трением о внутреннюю поверхность трубы слоев жидкости, движущихся в непосредственной близости от нее. Однако величина потерь на трение определяется не только вязкостью жидкости, но и зависит от скорости ее движения, от площади внутренней поверхности канала и ее шероховатости. Площадь поверхности канала, как известно, зависит от его длины и формы поперечного сечения.
Рисунок 4.1 - К определению гидравлических потерь на трение
В расчетах величина потерь на трение подсчитывается по формуле Вейсбаха-Дарси: (4.1)
где λ - коэффициент гидравлических потерь на трение (по длине);
l - длина прямого участка трубы, м;
dэ - эквивалентный диаметр канала, м.
Коэффициент гидравлических потерь λ является мерой отношения скоростного напора и величины потерь на трение на участке длиной, равной эквивалентному диаметру канала (см. рисунок 4.1), то есть когда l = dэ. При ламинарном режиме движения коэффициент λ зависит только от числа Рейнольдса:
, (4.2)
а величина потерь на трение для круглой трубы может быть подсчитана как по формуле (4.1) Вейсбаха-Дарси, так и по формуле Пуазейля:
(4.3)
где ν - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м2/с;
Q - расход жидкости, м3/с;
d - внутренний диаметр трубы, м.
При турбулентном режиме движения коэффициент λ зависит как от числа Рейнольдса, так и от относительной шероховатости поверхности стенок канала. При этом, как показано в опытах И.И. Никурадзе, при турбулентном режиме существует три области гидравлического трения:
- область гидравлически гладких труб, где λ = f(Re);
- область доквадратичного сопротивления, где λ = f(Re, Δ/d);
- область квадратичного сопротивления (турбулентной автомодельности), где λ = f(Δ/d).
Механизм гидравлического трения в каждой из этих областей зависит от соотношения размеров ламинарного подслоя толщиной δ и размеров шероховатости внутренней поверхности канала Δ (рисунок 4.2). В области гидравлически гладких труб δ > Δ. Поэтому вязкий подслой покрывает выступы шероховатости, и турбулентное ядро потока не взаимодействует с шероховатостью.
В области доквадратичного сопротивления (δ ≈ Δ) происходит постепенное "раскрывание" шероховатости турбулентным ядром. Здесь имеет место общий случай зависимости λ = f(Re, Δ/d).
И, наконец, в области квадратичного сопротивления, когда выступы полностью "раскрыты", значение λ зависит только от размеров шероховатости.
На практике при расчете технических труб границы областей гидравлического трения определяют в зависимости от предельных чисел Рейнольдса:
(4.4)
(4.5)
где относительная эквивалентная шероховатость;
- эквивалентная шероховатость, характеризующая среднюю высоту выступов технических труб.
Если Reкр < Re < ReпрI, имеем область гидравлически гладких труб. Для расчета коэффициента гидравлического трения рекомендуется формула Блазиуса:
. (4.6)
Если ReпрI < Re <ReпрII, имеем область доквадратичного сопротивления. Для расчета коэффициента λ рекомендуется формула Альтшуля:
(4.7)
Если Re > ReпрII, имеем область квадратичного сопротивления. Рекомендуется формула Шифринсона:
(4.8)
Для всех областей и режимов движения жидкости в трубах с естественной шероховатостью коэффициент гидравлического трения можно определить с помощью графика КольбрукаМурина.
При установившемся движении жидкости в горизонтальных каналах с постоянным по форме и размерам поперечным сечением средняя скорость потока и, следовательно, скоростной напор одинаковы во всех сечениях. Поэтому уравнение Бернулли (3.3) принимает вид:
откуда
(4.9)
Таким образом, гидравлические потери на трение можно измерить непосредственно (см. рисунок 4.1) как разность Δh высот уровней h1 и h2 жидкости в пьезометрах, установленных в начале и в конце рассматриваемого участка длиной l, то есть
. (4.10)
4.4 Описание установки
Установка для определения коэффициента гидравлических потерь на трение является составной частью лабораторного стенда и состоит из следующих основных элементов (рисунок 4.3): насоса 1, ротаметра 2, трубопровода 3, резервуара 4. Чтобы жидкость циркулировала именно в этом контуре, необходимо закрыть вентиль 8, а вентиль 5 открыть. Расход жидкости в контуре устанавливается с помощью вентиля 7 и фиксируется с помощью ротаметра 2. Для этого на ротаметре имеется шкала. Число делений на шкале ротаметра определяется по верхнему пояску поплавка. Расход жидкости в трубе определяется с помощью секундомера и счетчика объема 9. Для этого нужно измерить обьем жидкости, протекающей через счетчик за какой-то фиксированный промежуток времени, либо время, в течение которого через счетчик протекает заданный объем, например, 2 литра.
Для определения потерь напора на трение установка снабжена измерительным стендом 10, на котором установлены пять пьезометров с миллиметровой шкалой.
4.5 Методика проведения опытов
Визуально осмотрев установку и найдя в исправном состоянии все ее элементы, запускают электродвигатель насоса 1. Затем, открывая вентиль 6, обеспечивают циркуляцию воды в контуре. Плавно изменяя положение маховика вентиля 7, устанавливают необходимое число делений по шкале ротаметра 2 (число делений задается преподавателем), после чего измеряют разность уровней жидкости в пьезометрах, а также наблюдают картину расположения уровней в соседних пьезометрах. Кроме того, с помощью секундомера и счетчика объема 9 определяют расход жидкости в трубе.
Опыты проводят для пяти значений расхода воды. Результаты измерений вносят в таблицу 4.1.
1 - насос; 2 - ротаметр; 3 - трубопровод напорный; 4 - резервуар;
5, 6, 7, 8 - вентили; 9 - счетчик объема жидкости; 10 - измерительный стенд
Рисунок 4.3 - Схема установки
4.6 Обработка опытных данных
Используя опытные данные, вычисляют значения следующих величин.
4.6.1 Средняя скорость потока
,
где S - площадь живого сечения потока, м2;
Q - объемный расход воды, м3/с;
4.6.2 Число Рейнольдса
,
где d - внутренний диаметр канала трубы, м;
- кинематическая вязкость воды, определяется по справочнику в зависимости от температуры, м2/с;
4.6.3 Коэффициент λ потерь на трение опытный определяют по формуле (4.1)
4.6.4 Коэффициент λ' потерь на трение расчетный вычисляют по формуле (4.2) при ламинарном режиме или (4.4)  (4.8) при турбулентном.
4.6.5 Потери на трение расчетные hтр' по формуле (4.3) при ламинарном режиме или (4.1) при турбулентном. В формулу подставляются расчетные значения коэффициента потерь на трение λ'.
Результаты всех вычислений сводят в таблицу 4.1. Строят графики опытных и расчетных зависимостей:
λ = f (Re), hтр = f (Re), hтр = f (), hтр = f (Q).
Таблица 4.1 - Определение коэффициента потерь на трение
Наименование, обозначение
и размерность величинНомер опыта12345Объемный расход воды Q
по шкале ротаметра n деленийОбъемный расход воды Q по счетчику, м3/сПотери на трение измеренные
hтр =∆h, мТемпература воды t, oCВязкость воды кинематическая ν, м2/сСредняя скорость потока υср, м/сЧисло Рейнольдса ReКоэффициент потерь на трение λ опытный Коэффициент потерь на трение λ' расчетныйПотери на трение расчетные hтр', м
4.7 Контрольные вопросы
1. Какими формами механической энергии обладает поток жидкости? Какая из этих форм является специфической для жидкостей и газов?
2. Какие гидравлические потери называют потерями на трение?
3. Чем обусловлены гидравлические потери на трение?
5. От чего зависит величина гидравлических потерь на трение?
6. Как определяются потери напора при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости?
7. Каков физический смысл коэффициента гидравлических потерь на трение?
8. От чего зависит коэффициент гидравлических потерь на трение при ламинарном и при турбулентном режимах движения жидкости?
9. Какие существуют области гидравлического трения при турбулентном режиме?
10. Как влияет соотношение толщины ламинарного подслоя и размеров шероховатости внутренней поверхности канала на коэффициент потерь?
11. Можно ли непосредственно измерить потери на трение?
4.8 Тестовые задания
1. Как изменяется коэффициент потерь на трение при турбулентном течении при увеличении числа Re?
а) уменьшается; б) остаётся неизменным; в) увеличивается;
г) сначала увеличивается, затем уменьшается.
2. По какой формуле зависимости рассчитывается коэффициент гидравлического трения для турбулентного режима движения жидкости в шероховатых трубах?
а) б) в) г) 3. Укажите расчётное уравнение для определения потерь напора на трение:
4. Коэффициент внешнего трения  в области "гладкого" течения не зависит:
а) от вязкости; б) критерия Re; в) шероховатости.
5. По какому из нижеперечисленных уравнений определяется коэффициент гидравлического сопротивления  при ламинарном изотермическом движении жидкости в круглых трубах?
а) ; б) ;
в) ; г) 6. При нагревании протекающей в трубе жидкости коэффициент гидравлического сопротивления  по длине трубопровода а) уменьшается; б) увеличивается; в) не изменяется.
7. По какой формуле рассчитываются потери напора для простого трубопровода?
а) б) в) г) .
8. Закон Пуазейля для расчета потерь напора при ламинарном течении в трубе круглого сечения:
а) б) в) .
9. Коэффициент относительной шероховатости трубопроводов равен . Что такое ?
а) Диаметр трубопровода; б) длина трубопровода;
в) коэффициент гидравлического трения; г) абсолютная шероховатость.
10. При каком общем условии справедливы следующие выражения для расчета коэффициента внешнего трения?
.
а) При ламинарном режиме; б) турбулентном режиме; в) "гладком" течении.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.
ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ РЕЗЕРВУАРА ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ И НАСАДКИ (4 ЧАСА)
5.1 Цель работы:
5.1.1 Для истечения при постоянном напоре:
- пронаблюдать явление инверсии и сжатия струи при истечении через отверстие круглой, треугольной и квадратной форм;
- определить опытным путем численные значения коэффициентов расхода и скорости, а также величину вакуума в насадках.
5.1.2 Для истечения при переменном напоре:
- пронаблюдать изменение скорости опорожнения резервуара и формы поперечного сечения струи при изменении напоры;
- определить опытным путем и измерить непосредственно время полного и частичного опорожнения резервуара при отсутствии притока жидкости.
5.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- выучить определения основных понятий и терминов темы.
Основные термины и понятия:
- время полного опорожнения;
- время частичного опорожнения;
- объемный расход;
- переменный напор;
- постоянный напор;
- коэффициент расхода;
- коэффициент скорости.
5.3 Теоретические сведения
В инженерной практике иногда встречаются задачи, связанные с истечением жидкости через отверстия (рисунок 5.1а) или насадки (рисунок 5.1б) при постоянном или переменном напоре.
Рисунок 5.1 - Истечение жидкости через отверстие (а) и насадок (б)
Насадком называется короткая труба, присоединенная к отверстию каким-либо образом снаружи или изнутри резервуара. Насадки, присоединенные к отверстию в стенке резервуара снаружи называются внешними, а изнутри - внутренними. По форме внутреннего канала различают насадки цилиндрические, конические, диффузорные и др. В зависимости от соотношения диаметра отверстия и толщины S стенки резервуара различают отверстия в тонкой (S<0,2d) и толстой (S>3,5d) стенках. В зависимости от удаленности отверстия от боковых стенок и днища резервуара различают отверстия с совершенным и несовершенным, полным и неполным сжатием струи. Отверстие, удаленное от боковых стенок и днища резервуара на расстояние большее 3 диаметров, является отверстием с совершенным полным сжатием струи. По соотношению диаметра отверстия и напора различают малые и большие отверстия. Малыми называют отверстия, диаметр которых много меньше напора.
Истечение жидкости через круглое отверстие и насадок сопровождается сжатием струи. Сжатие струи заключается в уменьшении площади сечения струи (см. рисунок 5.1) на некотором расстоянии от отверстия. Причина сжатия струи - способность движущихся материальных точек жидкости сохранять направление и скорость своего движения после прохождения отверстия, т.е. свойство инерции. Степень сжатия струи характеризуется коэффициентом сжатия
,
где Sc, dc - площадь и диаметр сжатого сечения струи;
Sо, dо - площадь и диаметр отверстия.
Численные значения коэффициента сжатия для различных случаев истечения определяются из опыта, в котором специальным устройством измеряется диаметр струи в сжатом сечении.
При истечении жидкости через некруглые отверстия наблюдается также изменение формы поперечного сечения струи (явление инверсии). Например, при истечении через треугольное отверстие сечение струи принимает форму треугольной звезды, а при истечении через квадратное отверстие - четырехугольной звезды. Причина инверсии струи - неуравновешенность сил поверхностного натяжения.
При истечении через отверстия или насадки потенциальная энергия жидкости, находящейся в резервуаре, превращается в кинетическую энергию струи. При этом имеют место потери механической энергии, величина которых характеризуется коэффициентом местных потерь. Вследствие потерь энергии действительный расход жидкости всегда меньше теоретического. Отношение действительного расхода к теоретическому называется коэффициентом расхода:
С другой стороны,
,
где φ  коэффициент скорости, который находим из выражения
,
где α  коэффициент Кориолиса для сжатого сечения струи.
Для случаев истечения маловязких жидкостей (вода, бензин и т.п.) через малые отверстия с острой кромкой при полном совершенном сжатии струи принимают с достаточной для практических целей точностью:
= 0,64; = 0,97; α=1; ξ = 0,065; = 0,62.
Задача об истечении жидкости через отверстия или насадки при постоянном напоре чаще всего сводится к определению расхода истекающей жидкости и скорости ее движения в сжатом сечении струи.
Объемный расход жидкости при установившемся истечении через отверстие или насадок из резервуара, открытого в атмосферу, определяется по формуле
, (5.1)
где H - высота столба жидкости над отверстием или насадкой (напор); - ускорение свободного падения.
Для случаев истечения через насадок имеет место равенство μ=φ, так как на выходе из насадка сжатия струи нет, т.е. ε=1.
Внутри насадка в пределах участка, где струя сжата, образуется зона отрицательного избыточного давления - вакуум. Величина вакуума равна
,
где hВ ≈0,74 H - высота вакуума.
Решение задач, связанных с истечением жидкости через отверстия и насадки при переменном напоре, как правило, сводится к определению времени t полного или частичного опорожнения или наполнения резервуара:
(5.2)
где HH, HK - начальный и конечный напор, м;
Sp - площадь поперечного сечения резервуара при HH, м
5.4 Описание установки
Основными элементами лабораторной установки (рисунок 5.2) являются напорный 1 и приемный 2 резервуары, которые в ходе опытов полностью или частично заполнены водой. Вода подается в напорный резервуар из приемного посредством насоса 3 через ротаметр 4 и вентиль 5. Ротаметр служит для определения расхода жидкости, поступающей в напорный резервуар. Величина расхода регулируется посредством вентилей 5, 6. Для контроля и измерения уровня воды (напора) напорный резервуар снабжен пьезометрической трубкой 7 и шкалой 8. Боковая стенка напорного резервуара несколько ниже верхней кромки имеет отверстие со сливным патрубком. Патрубок соединен гибким шлангом с приемным резервуаром, что позволяет избежать перелива напорного резервуара при его заполнении. В днище напорного резервуара имеются четыре отверстия: два круглой и по одному треугольной и квадратной форм. Пята со штоком (на рисунке 5.2 не показана), выполненная в виде круга с вырезанным сегментом, позволяет закрывать любые три отверстия, оставляя одно открытым. Одно из круглых отверстий имеет резьбу, посредством которой к нему крепятся сменные насадки цилиндрической и конической форм.
В стенке каждого насадка выполнен радиальный канал, завершающийся на наружной поверхности патрубком. Патрубок насадка посредством гибких шлангов (см. рисунок 5.2) соединяется с верхним концом пьезометрической трубки 9, опущенной в приемный резервуар.
Шкала 10 служит для измерения высоты столба жидкости (высота вакуума) в пьезометрической трубке 9, что необходимо для определения величины вакуума, возникающего в насадке в пределах зоны сужения и расширения струи.
1, 2 - напорный и приемный резервуары; 3 - насос; 4 - ротаметр; 5, 6 - вентили; 7, 9 - пьезометрические трубки; 8, 10 - шкалы
Рисунок 5.2 - Схема установки
5.5 Методика проведения опытов
5.5.1 Истечение при постоянном напоре
Визуально осмотрев установку (см. рисунок 5.2) и найдя в исправном состоянии все ее элементы, запускают электродвигатель насоса. Затем, постепенно открывая вентиль 5 и закрывая вентиль 6, если это необходимо, заполняют напорный резервуар 1 водой до некоторого уровня. При этом вода через одно из отверстий истекает из напорного резервуара в приемный. Изменяя положение маховиков 5, 6, стабилизируют уровень воды в напорном резервуаре, после чего приступают к наблюдению явления инверсии и сжатия струи.
В опытах по определению коэффициентов скорости и расхода и величины вакуума после стабилизации уровня в напорном резервуаре проводят следующие операции:
- измеряют посредством шкалы 8 высоту столба воды в пьезометрической трубке 7, т.е. напор Н;
- измеряют по шкале 10 высоту столба жидкости в пьезометрической трубке 9, т.е. высоту вакуума hВ в насадке;
- фиксируют положение поплавка ротаметра 4 относительно рисок шкалы, выполненной на его корпусе;
- определяют по числу делений шкалы ротаметра из тарировочного графика объемный расход Q воды, поступающей в напорный резервуар, т.е. истекающей через исследуемое отверстие или насадок.
Опыты проводят при двух значениях уровня воды в напорном резервуаре. Результаты всех измерений заносят в таблицы 5.1, 5.2.
Таблица 5.1 - Определение коэффициентов расхода и скорости
Наименование, обозначение и размерность величины
Круглое
отверстиеНасадокцилиндрическийконфузорныйдиффузорныйНомер опыта1 21 21 21 2Напор Н, м Объемный расход n, дел. шкалы Объемный расход Q, м/CПлощадь отверстия F, мКоэффициент сжатия Коэффициент расхода Коэффициент скорости Таблица 5.2 - Определение давления и высоты вакуума
Наименование, обозначение и размерность величиныНасадокцилиндрическийконфузорныйдиффузорныйНомер опыта1 21 21 21 2Напор Н, м Высота вакуума , м Давление вакуума , Па Высота вакуума опыта h, м 5.5.2 Истечение при переменном напоре
Опыты начинают с заполнения напорного резервуара водой до некоторого уровня Н, после чего отключают насос и наблюдают за изменением скорости перемещения уровня воды в пьезометрической трубке 7. Затем для случаев истечения через круглое отверстие и насадки опыты повторяют, зафиксировав и измерив уровень воды в напорном резервуаре посредством шкалы 8. При этом в момент фиксации уровня пускают секундомер и измеряют время опорожнения верхней и нижней половины резервуара.
Опыты проводят при двух значениях уровня воды в напорном резервуаре. Результаты всех измерений заносят в таблицу 5.3.
Таблица 5.3 - Определение времени опорожнения резервуара
Наименование, обозначение и размерность величиныКруглое отверстиеНасадокцилидрическийконфузорныйдиффузорныйНомер опыта1 21 21 21 2Опорожнение резервуара полностьюНачальный напор НН, м Конечный напор НК , мКоэффициент расхода Площадь отверстия FО, м2Площадь поперечного сечения резервуара F, м2 Продолжение таблицы 5.3
Наименование, обозначение и размерность величиныКруглое отверстиеНасадокцилидрическийконфузорныйдиффузорныйНомер опыта1 21 21 21 2Время опорожнения расчетное t, cВремя опорожнения опытное tоп, с Опорожнение верхней половины резервуараТо жеОпорожнение нижней половины резервуараТо же 5.6 Обработка опытных данных
5.6.1 Истечение при постоянном напоре
5.6.1.1 Вычисляют числовое значения коэффициента расхода μ для случаев истечения через круглое отверстие и насадки (см. формулу (5.1.)).
5.6.1.2 Разделив значения μ на коэффициент сжатия ε, находят числовые значения коэффициента скорости φ.
5.6.1.3 Вычисляют высоту hB вакуума в насадках по формуле
. 5.6.1.4 Умножив значения hB на удельный вес воды γ, находят величину вакуума, т.е.
5.6.2 Истечение при переменном напоре
Подставив в формулу (5.2) числовые значения входящих в нее величин, найденные опытным путем, вычисляют время полного и частичного опорожнения резервуара.
5.7 Контрольные вопросы
1. По каким признакам и на какие виды в гидравлике классифицируются отверстия и насадки?
2. В чем заключается явление инверсии и сжатия струи?
3. Чем обусловлены инверсия и сжатие струи?
4. Чем характеризуется степень сжатия струи?
5. Почему действительный расход истекающей жидкости меньше теоретического?
6. Как учитывается в расчетах снижение действительного расхода по сравнению с теоретическим?
7. Чем обусловлено возникновение вакуума в насадке?
8. От чего зависит время опорожнения резервуара?
5.8 Тестовые задания
1. При истечении жидкости через отверстие струя
а) сжимается; б) расширяется; в) не изменяется.
2. От чего зависит коэффициент расхода через отверстие μ?
а) от числа Рейнольдса; б) от размеров сечения отверстия;
в) от расчетного напора; г) от сечения струи.
3. Что такое μ в выражении для определения времени опорожнения емкости?
,
а) коэффициент расхода; б) коэффициент сжатия струи;
в) площадь отверстия; г) расчетный напор.
4. При каком режиме течения жидкости коэффициент расхода μ принимает максимальное значение?
а) При турбулентном; б) при ламинарном;
в) при переходном; г) жидкость не истекает из отверстия.
5. Коэффициент сжатия для отверстия ε равен:
а); б); в); г).
6. Что называется инверсией?
а) изменение размеров струи при истечении через отверстие;
б) изменение формы струи при истечении через отверстие;
в) истечение жидкости через отверстие;
г) увеличение скорости жидкости по мере удаления от отверстия.
7. Резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении жидкости, это:
а) кавитация; б) облитерация;
в) гидравлический удар; г) турбулентность.
8. Какое максимальное значение может принимать коэффициент расхода μ?
.
9. Что такое SP в выражении для времени опорожнения емкости
а) Коэффициент расхода; б) коэффициент сжатия струи;
в) площадь отверстия; г) напор истечения.
10. Каков физический смысл коэффициента скорости φ?
а) ; б) ; в) ; г) ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.
ДРОССЕЛЬНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ (4 ЧАСА)
6.1 Цель работы:
- тарировка (градуировка) дроссельных расходомеров;
- определение числовых значений коэффициентов расхода дроссельных расходомеров;
- определение характера зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса, средней скорости и расхода потока.
6.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- выучить определения основных понятий и терминов темы.
Основные термины и понятия:
- внешние цилиндрические насадки;
- инверсия;
- коэффициент сжатия;
- коэффициент дроссельного расходомера;
- коэффициент местных потерь.
6.3 Теоретические сведения
Дроссельными расходомерами называются устройства, осуществляющие сужение (дросселирование) потока и устанавливаемые в трубопроводах для измерения расхода жидкости или газа, воздуха. Такими устройствами являются расходомер Вентури (рисунок 6.1а), а также всевозможные мерные сопла и диафрагмы, например, изображенные на рисунках 6.1б, 6.2.
Расходомер Вентури представляет собой короткую трубу, состоящую из двух участков: плавно сужающегося (сопла) и постепенно расширяющегося (диффузора). При движении жидкости через сопло поток плавно сужается, его скорость увеличивается, а давление падает.
В пределах диффузора поток плавно расширяется и замедляется, а давление в нем возрастает.
а б Рисунок 6.1 - Расходомер Вентури (a) и диафрагма (б)
Диафрагма представляет собой шайбу с круглым отверстием, выполненным соосно трубопроводу. При движении жидкости через диафрагму внезапное сжатие потока и его самопроизвольное расширение сопровождается вихреобразованием по обе стороны шайбы. При движении жидкости через мерное сопло поток сужается постепенно, но расширение его за соплом происходит самопроизвольно и сопровождается вихреобразованием. Мерное сопло либо впрессовывается в трубы (см. рисунок 6.2), либо, как и диафрагма, зажимается между фланцами (см. рисунок 6.1б, 6.2б).
По мере движения жидкости через сужающее устройство скорость потока изменяется, а следовательно, возникает разность давлений, которая может быть измерена (см. рисунок 6.1а), например, либо посредством двух пьезометров, либо дифференциальным U-образным манометром. Принцип измерения расхода посредством дроссельных расходомеров заключается в том, что эта разность (перепад) давлений вполне определенным образом связана с расходом. Рассмотреть и понять принцип работы таких устройств позволяет уравнение Бернулли, составленное для тех сечений потока, разность давлений в которых фиксируется тем или иным образом. При этом ориентация расходомера относительно горизонта принципиального значения не имеет.
Уравнение Бернулли, составленное для сечений 1-1 и 2-2 потока реальной (вязкой) жидкости, движущейся через горизонтально расположенный расходомер, например, Вентури (см. рисунок 6.1а), имеет вид:
,
где р - гидродинамическое давление, Н/м2;
γ - удельный вес жидкости, Н/м3; υcp - средняя скорость потока, м/с;
α - коэффициент Кориолиса;
h1-2 - гидравлические потери, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
Гидравлические потери в сужающих устройствах являются местными и определяются по формуле Вейсбаха:
,
где ξм - коэффициент местных гидравлических потерь (местного гидравлического сопротивления).
Согласно уравнению расхода и по определению средней скорости потока имеем: ,
где S - площадь живого сечения потока, м2;
Q - объемный расход, м3/с. Тогда, учитывая, что
где γ, γ׀ - удельный вес жидкости в трубопроводе и дифманометре соответственно получим из уравнения Бернулли:
. (6.1)
Теперь составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 потока идеальной жидкости, считая, что расходомер расположен горизонтально,
,
где υ - местная скорость потока, одинаковая для всех точек его живого сечения, м/с.
Здесь α1 =α2 =1; h1-2=0, так как идеальная жидкость не обладает вязкостью. Тогда, используя уравнение расхода
,
и учитывая, что
,
получим
. (6.2)
Точно подсчитать расход по формуле (6.1) довольно сложно, так как величина местных потерь и коэффициентов ξM и α зависит от числа Рейнольдса, вида и конструктивных особенностей сужающего устройства. Поэтому на практике для определения расхода жидкости используют формулу (6.2), содержащую некоторый поправочный коэффициент β, т.е.
. (6.3)
Коэффициент β называется коэффициентом дроссельного расходомера и учитывает, что в действительности расход реальной жидкости (см. формулы (6.1), 6.3)) из-за неравномерности распределения скоростей по сечению потока и неизбежных потерь механической энергии всегда меньше теоретического расхода идеальной жидкости (см. формулу (6.2)). Значение коэффициента β зависит от вида, размеров и конструктивных особенностей дроссельного устройства, а также от значения числа Рейнольдса. Поэтому значение коэффициента расхода, как правило, находят из опыта, т.е. в результате тарировки дроссельного расходомера. Тарировка - опытное определение характера зависимости расхода (объемного, массового или весового) от величины перепада уровней жидкости в пьезометре или дифманометре.
Формулы (6.1)(6.3) справедливы и для мерных сопел, и для диафрагм, однако здесь S2 - площадь поперечного сечения сопла на выходе или площадь отверстия в диафрагме.
6.4 Описание установки
Основу установки (рисунок 6.3) составляет замкнутый контур, включающий насос 1, ротаметр 2, трубопроводы А и Б, резервуар 3, трубопровод 4. В нерабочем состоянии и в ходе опытов все элементы контура заполнены водой. Для измерения расхода воды, циркулирующей в контуре при работе насоса, между трубопроводами А и Б и напорным трубопроводом насоса установлены вентили 5, 6. С той же целью напорный и всасывающий трубопроводы насоса соединены обводной (перепускной, байпасной) линией 7, содержащей вентиль 8. Расход воды в трубопроводе А или Б определяется посредством ротаметра и тарировочного графика. Трубопровод А содержит дроссельное устройство 9 (расходомер Вентури) и мерное сопло, впрессованное в трубу 10, а трубопровод Б - диафрагму 11 и мерное сопло 12, зажатые между фланцами. Для определения потерь давления в дроссельных расходомерах установка снабжена U-образными дифференциальными манометрами 13. Кроме того, для определения расхода имеется счетчик 14. Расход можно определить, измерив объем жидкости, протекающей через счетчик 14 за какой-то фиксированный промежуток времени либо время, в течение которого через счетчик протекает заданный объем, например, 6 литров. Правое и левое колена манометров посредством гибких шлангов подсоединены к трубопроводам в сечениях до и после дроссельных устройств.
1 - насос; 2 - ротаметр; 3 - резервуар; 4 - трубопровод; 5, 6, 8 - вентили; 7 - обводная линия; 9, 10, 11, 12 - дроссельные устройства; 13 - манометр; 14 - счетчик объема жидкости
Рисунок 6.3 - Схема лабораторной установки
6.5 Методика проведения опытов
Осмотрев установку (см. рисунок 6.3) и найдя в исправном состоянии все ее элементы, запускают электродвигатель насоса 1. Затем, открывая постепенно вентиль 5 или 6, или закрывая, если в том есть необходимость, вентиль 8, обеспечивают циркуляцию по замкнутому контуру. При этом, изменяя положение маховиков вентиля 5 или 6 и 8, добиваются расположения верхней плоскости поплавка ротаметра 2 против риски шкалы, соответствующей заданному значению расхода. Число делений шкалы, соответствующее заданному значению, определяется предварительно по тарировочному графику. Потом, пользуясь миллиметровыми шкалами, измеряют разность уровней жидкости в коленах дифманометров 13. Кроме того, с помощью секундомера и счетчика объема 14 определяют расход жидкости в трубе.
Вязкость и плотность воды находят из таблиц в справочной литературе при температуре, которую она имела в ходе опытов. Температура воды измеряется термометром.
Результаты всех измерений сводят в таблицу 6.1.
Таблица 6.1 - Определение коэффициентов расхода
Наименование, обозначение и размерность величиныНаименование расходомера и его номер по схеме (см. рисунок 6.3)9101112Объемный расход Q: по шкале ротаметра n делений
по тарировочному графику, м3/сСредняя скорость потока , м/с| Температура воды Т, | Вязкость динамическая , Плотность , кг/м3
Число Рейнольдса ReПерепад уровней жидкости
в дифманометре мКоэффициент расхода β 6.6 Обработка опытных данных
Используя опытные данные, вычисляют необходимые величины.
6.6.1 Средняя скорость потока
,
где - площадь живого сечения потока перед дроссельным устройством, м2.
6.6.2 Число Рейнольдса ,
где ρ - плотность воды, кг/м3;
μ -динамическая вязкость воды, Па·с;
d - внутренний диаметр трубы перед дроссельным устройством, м.
6.6.3 Коэффициент расхода находят из формулы (6.3).
Результаты всех вычислений сводят в таблицу 6.1, затем строят графики зависимостей:
6.7 Контрольные вопросы
1. Какими формами механической энергии обладает поток жидкости, газа?
2. Какая из форм энергии присуща только жидким и газообразным телам?
3. Что представляет собой дроссельный расходомер?
4. В чем заключается принцип определения расхода посредством дроссельного расходомера?
5. Что характеризует коэффициент расхода дроссельного расходомера?
6. От чего зависит численное значение коэффициента расхода?
6.8 Тестовые задания
1. Дроссельные приборы измеряют перепад давлений до и после устройства, по которому, используя уравнение Бернулли, определяют расход (или скорость) жидкости. Какова причина возникающего перепада давлений в трубе Вентури?
а) Местные сопротивления;
б) изменение сечения потока; в) разность между полным и статическим давлением.
2. Что такое в выражении для определения количества жидкости, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени?
?
а) Площадь живого сечения потока; б) средняя скорость;
в) коэффициент местного сопротивления; г) коэффициент гидравлического трения.
3. Что такое α в уравнении Бернулли, составленном для сечений 1-1 и 2-2 потока реальной (вязкой) жидкости, движущейся через горизонтально расположенный расходомер, например, Вентури
?
а) Гидродинамическое давление; б) коэффициент Кориолиса;
в) коэффициент расхода; г) коэффициент сжатия струи.
4. Какие устройства относятся к дроссельным расходомерам?
а) Расходомер Вентури; б) струйный насос; в) центробежный насос.
5. Какие гидравлические потери присутствуют в сужающих устройствах?
а) Местные потери; б) потери на трение; в) суммарные гидравлические потери.
6. Что такое γ, γ׀ в формуле для расчета перепада уровней жидкости?
а) удельный вес жидкости; б) удельный вес жидкости в трубопроводе и дифманометре соответственно; в) удельный вес жидкости в трубопроводе; г) удельный вес жидкости в дифманометре.
7. Одинакова ли местная скорость υ для всех точек живого сечения потока в уравнении Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 потока идеальной жидкости, при условии, что расходомер расположен горизонтально? а) Да, одинакова; б) нет, для всех точек живого сечения потока скорость υ разная;
8. Уравнение Бернулли, составленное для сечений 1-1 и 2-2 потока реальной (вязкой) жидкости, движущейся через горизонтально расположенный расходомер, например, Вентури, имеет вид:
.
Здесь α1 =α2 =1; h1-2=0, так как
а) местная скорость потока одинакова для всех точек его живого сечения;
б) идеальная жидкость не обладает вязкостью;
в) местная скорость потока одинакова для всех точек его живого сечения, и идеальная жидкость не обладает вязкостью;
г) жидкость движется через горизонтально расположенный расходометр.
9. Расход для дроссельных устройств считается по формуле
а) б) в) .
10. В уравнении расхода S2  это:
а) площадь поперечного сечения сопла на выходе или площадь отверстия в диафрагме; б) площадь поперечного сечения; г) площадь поперечного сечения сопла на выходе.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
(4 ЧАСА)
7.1 Цель работы:
- изучить основные способы регулирования режима работы центробежного насоса;
- построить опытным путем рабочую характеристику центробежного насоса при различных значениях числа оборотов рабочего колеса.
7.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- усвоить основные понятия и термины по данной теме.
Основные понятия и термины:
- гидромашина;
- насос;
- гидродвигатель;
- подача насоса;
- напор насоса;
- мощность насоса;
- КПД насоса;
- выходное звено;
- лопастной насос;
- подобие лопастных насосов;
- коэффициент быстроходности;
- характеристика насоса;
- режим работы насоса;
- насосная установка и ее характеристика;
- рабочая точка;
- регулирование режима работы.
7.3 Теоретические сведения
Насосом называется гидравлическая машина, в которой механическая энергия рабочего органа преобразуется в энергию движущейся жидкости. Предназначены насосы для перемещения и нагнетания жидкости по трубопроводам. По принципу действия насосы разделяются на две группы: лопастные (динамические) и объемные (вытеснения). В лопастных насосах преобразование механической энергии вращающегося колеса в энергию движущейся жидкости происходит в результате динамического взаимодействия лопаток рабочего колеса с обтекающей их жидкостью.
На рисунке 7.1 приведена схема центробежного насоса. Основным рабочим органом центробежного насоса является рабочее колесо 4 с лопатками 6. Рабочее колесо обычно состоит из двух дисков, один из которых надет на вал (ведущий), а второй (ведомый) соединен с первым диском лопатками 6 и имеет входное отверстие 2. В некоторых конструкциях второй диск отсутствует (открытое колесо). Лопатки 6 имеют криволинейную, цилиндрическую или более сложную пространственную форму. Рабочее колесо установлено на ведущем валу 3. Корпус насоса состоит из всасывающего патрубка 1 (подвода) и спирального отвода 7, который заканчивается напорным патрубком 5 (диффузором).
Жидкость подводится к рабочему колесу 4 вдоль оси его вращения через всасывающий патрубок 1. Далее она через отверстие 2 попадает в межлопаточное пространство колеса 4, раскручивается лопатками 6 и отбрасывается в спиральный отвод 7. Спиральный отвод имеет улиткообразную форму и предназначен для улавливания отходящей из рабочего колеса жидкости. По спиральному отводу жидкость направляется к напорному патрубку 5 и затем в напорный трубопровод.
На схеме центробежного насоса нанесены его наиболее важный геометрический параметр - диаметр D рабочего колеса, а также ширина b2 потока жидкости, выходящего с этого колеса.
Рассмотренная схема с консольной установкой рабочего колеса является одной из наиболее простых. В машиностроительных гидравлических системах используются и более сложные конструкции насосов.
Центробежные насосы могут быть выполнены с двухсторонним входом, а также с двумя или несколькими выходами.
На одном приводном валу насоса может быть установлено несколько изолированных друг от друга рабочих колес. Если жидкость проходит через них последовательно, то такие насосы называются многоступенчатыми и служат для получения высокого давления на выходе. Если у каждого из этих колес есть собственный вход и собственный выход, т. е. жидкость проходит через них параллельными потоками, то такие насосы называются многопоточными и служат для получения больших подач.
Центробежные и другие лопастные насосы по сравнению с объемными насосами обладают рядом преимуществ и недостатков. Так, они имеют практически равномерную подачу и нетребовательны к чистоте рабочей жидкости (могут перекачивать весьма загрязненные жидкости). Однако они не могут перекачивать вязкие жидкости и в отличие от объемных насосов не обладают самовсасыванием. Под самовсасыванием понимают способность насоса, работая без жидкости, создавать достаточное разрежение и за счет этого подсасывать жидкость из емкости, расположенной ниже насоса. Поэтому перед началом работы такого насоса его всасывающий трубопровод должен быть заполнен рабочей жидкостью. Кроме того, лопастные насосы имеют нежесткую характеристику, т. е. подача насоса существенно зависит от его напора (и наоборот). Поэтому при изменении сопротивления в трубопроводе меняется напор, а с ним и подача насоса.
Работа лопастных насосов характеризуется подачей - Q, напором - Н, мощностью - N и коэффициентом полезного действия (КПД) - .
Подачей называется объем жидкости, проходящий в единицу времени через поперечное сечение диффузора.
Напор насоса - энергия, которую получает каждый килограмм перемещаемой жидкости, то есть приращение полной удельной механической энергии перемещаемой жидкости. Напор насоса равен разности полного напора (удельной механической энергии) потока жидкости в диффузоре и подводе, т.е.
, (7.1)
где z - геометрический напор (удельная потенциальная энергия положения) потока жидкости, м;
р/ - пьезометрический напор (удельная потенциальная энергия давления) потока, м;
υ2/2g - скоростной напор (удельная кинетическая энергия) потока, м;
 - удельный вес жидкости, Н/м3;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
υ - усредненная по сечению потока скорость движения жидкости, м/с.
Единица измерения напора в системе СИ - метры столба перемещаемой жидкости.
Полезная мощность насоса - энергия, передаваемая насосом всему потоку жидкости в единицу времени (7.2)
Потребляемая мощность - энергия, подводимая к валу насоса в единицу времени.
КПД насоса равен отношению полезной мощности к потребляемой: (7.3)
Зависимость напора, мощности и КПД от подачи насоса (см. рисунок 7.2) при постоянном числе оборотов рабочего колеса называется рабочей характеристикой насоса.
Сочетание напора, мощности и к.п.д., соответствующее на данной характеристике определенной подаче, называется режимом работы насоса. Режим работы насоса, соответствующий наибольшему значению КПД (наименьшим гидравлическим потерям), называется расчетным режимом. Режимы, отличные от расчетного, - рабочие режимы. Рабочая характеристика насоса всегда определяется опытным путем, т.е. в результате испытания насоса, работающего на полную установку.
Рисунок 7.2 - Рабочая характеристика центробежного насоса
Насосная установка (рисунок 7.3) содержит следующие основные элементы: насос 1, приемный 2 и напорный 3 резервуары; напорный 4 и всасывающий 5 трубопроводы, а также запорную и регулирующую арматуру трубопроводов и контрольно-измерительные приборы (КИП).
Механическая энергия, сообщаемая насосом жидкости при ее движении по трубопроводам насосной установки из приемного резервуара в напорный, расходуется на подъем жидкости на высоту Нг и на преодоление разности давлений в резервуарах, а также теряется, переходя в тепловую энергию вследствие вязкого трения (гидравлические потери). Эта энергия, приходящаяся на единицу веса перемещаемой жидкости, называется потребным напором и равна:
,(7.4)
где Нг - геометрический напор установки, м;
рн, рп - давление над свободной поверхностью в напорном и приемном резервуарах, Па;
h - гидравлические потери, м.
Зависимость (рисунок 7.2) потребного напора от объемного расхода жидкости в трубопроводах называется характеристикой насосной установки. Характеристика установки имеет вид кривой, изображенной на рисунке 7.2, так как при турбулентном режиме движения гидравлические потери напора пропорциональны квадрату расхода, т.е. (7.5)
где k - общий коэффициент сопротивления трубопроводов.
1 - насос; 2, 3 - приемный и напорный резервуары; 4, 5 - напорный и всасывающий трубопроводы
Рисунок 7.3 - Схема и характеристика насосной установки
Вполне очевидно, что жидкость будет перемещаться по трубопроводам установки с заданным расходом в том случае, когда полезный напор и потребный напор равны:
. (7.6)
Этому условию соответствует режим, определяемый так называемой рабочей точкой. Рабочая точка - точка пересечения характеристики насоса и кривой потребного напора, построенных на одном графике в одном и том же масштабе (рисунок 7.4а). Рабочая точка определяет режим работы данного насоса при работе на данную насосную установку.
Очевидно, что изменение характеристики насосной установки или насоса всегда приводит к изменению его рабочего режима. Изменение режима работы насоса каким-либо образом для обеспечения требуемой подачи называется регулированием. Известны следующие способы регулирования режима работы центробежных насосов: дросселирование; байпассирование (перепуск); изменение числа оборотов рабочего колеса. Дросселирование - регулирование при помощи задвижки, установленной в начале напорного трубопровода. При изменении сопротивления задвижки меняется характеристика насосной установки (рисунок 7.4б). Н
А
а QA Q
Рисунок 7.4 - Определение режима работы насоса (а) и способы
регулирования дросселированием (б), изменением числа оборотов (в)
При регулировании перепуском часть подачи насоса по обводному трубопроводу, в пределах которого установлена задвижка, отводится из напорного трубопровода во всасывающий. При движении жидкости через задвижку часть ее энергии теряется. Поэтому регулирование дросселированием и перепуском неэкономично. Однако, благодаря исключительной простоте и надежности, эти способы нашли наибольшее применение в практике.
Более экономично регулирование изменением числа оборотов (рисунок 7.4в), так как при этом меняется характеристика насоса, а следовательно, и величина потребляемой мощности. Для реализации этого способа регулирования необходимы двигатели с переменным числом оборотов (электродвигатели постоянного тока, паровые и газовые турбины и др.).
При изменении числа оборотов рабочего колеса характеристика насоса может быть пересчитана на любое число оборотов, например n2, если известна его характеристика при числе оборотов n1:
(7.7)
7.4 Оборудование, технические средства и инструменты
Для проведения лабораторной работы необходимы:
- установка для проведения опытов; - секундомер;
- штангенциркуль; - линейка.
7.5 Описание установки
Основными элементами насосной установки (рисунок 7.5) являются: центробежные насосы 1 и 2, соединенные с трубопроводом 3 напорными трубопроводами 4, 5. В нерабочем состоянии напорный (приемный) резервуар 6, насосы и всасывающие трубопроводы 7, 8 полностью, а напорные трубопроводы частично заполнены водой. Расход воды через трубопровод 3 определяется посредством расходомеров 9 или 10. Напор насосов определяется посредством мановакууметров 1114. Число оборотов рабочего колеса насосов изменяется путем регулирования напряжения на обмотках электродвигателей 15, 16 постоянного тока. Напряжение, подаваемое на электродвигатели, регулируется с помощью лабораторных автотрансформаторов 17, 18. Число оборотов вала электродвигателей, рабочего колеса насосов контролируется посредством тахогенераторов 19, 20 и тахометров 21, 22. Для измерения тока и напряжения в обмотках электродвигателя установка снабжена амперметрами 23, 24 и вольтметрами 25, 26.
7.6 Методика проведения опытов
Осмотрев установку (см. рисунок 7.5) и найдя в исправном состоянии все ее элементы, подают напряжение на входную обмотку трансформатора 17 или 18 и, плавно поворачивая его рукоятку, приводят в действие электродвигатель 15 насоса 1. При этом, ориентируясь по шкале тахометра 22, устанавливают заданное число оборотов электродвигателя. Затем фиксируют и записывают в таблицу 7.1 показания следующих приборов: манометров 11, 12, расходомера 9; тахометра 22, амперметра 23, вольтметра 25. Для определения расхода необходимо измерить с помощью секундомера время, в течение которого через счетчик 9 протекает какой-либо фиксированный объем (например, 10 л).
Расход получают делением этого объема на время.
Опыты проводят при пяти степенях открытия вентиля 30. В первом опыте вентиль полностью закрывают, затем приоткрывают на четверть оборота, затем на пол-оборота, на один оборот и в последнем опыте открывают полностью. 1, 2 - насосы; 3 - трубопровод; 4, 5 - напорные трубопроводы; 6 - напорный (всасывающий) приемный резервуар; 7, 8 - всасывающие трубопроводы; 9, 10 - расходомеры; 11-14 - мановакуумметры;
15, 16 - электродвигатели; 17, 18 - автотрансформаторы;
19, 20 - тахогенераторы; 21, 22 - тахометры; 23, 24 - амперметры;
25, 26 - вольтметры; 30 - вентиль; 27, 28, 29, 31 - краны; 32 - задвижка; 33 - обводная линия
Рисунок 7.5 - Схема лабораторной насосной установки
Подобным образом проводят опыты и для насоса 2.
Для включения насоса 2 в установку необходимо полностью открыть кран 28, а краны 27 и 29 закрыть.
Опыты проводятся при двух значениях числа оборотов рабочего колеса насосов. Число оборотов задается преподавателем.
Таблица 7.1 - К построению рабочих характеристик насосов
Наименование, обозначение и размерность величиныНомер рабочей точки12345Число оборотов насоса n1 = c-1Подача насоса Q, м3/сДавление на выходе РВ, ПаДавление на входе РВх., ПаСкорость потока на выходе υВ, м/сСкорость потока на входе υВх, м/сПолезный напор насоса Н, мТок в электродвигателе I, АНапряжение в электродвигателе U, ВМощность насоса потребляемая N, ВтМощность насоса полезная Nп, ВтКоэффициент полезного действия Число оборотов насоса n2 = c-1То же
7.7 Обработка опытных данных
Вычисляются следующие величины.
7.7.1 Усредненная по сечению потока скорость движения воды на выходе и входе в насос:
; ,
где S2, S1 - площади сечения на выходе и входе в насос, в которых измеряется давление; Q - подача насоса.
7.7.2 Полезный напор насоса
,
где z2, z1 - расстояние от произвольной горизонтальной плоскости сравнения (от пола) до сечений, в которых измеряется давление на выходе и на входе в насос.
7.7.3 Мощность, потребляемая насосом, N = I  U  , где I и U - ток и напряжение в обмотках электродвигателя;  = 0,8 - КПД электродвигателя. 7.7.4 Полезная мощность насоса
7.7.5 КПД насоса
Результаты всех вычислений сводят в таблицу 7.1.
Кривые напора и мощности, полученные из опыта при числе оборотов рабочего колеса n1, пересчитываются по формулам (7.7) на другое число оборотов n2.
Результаты всех вычислений сводятся в таблицу 7.2.
Таблица 7.2 - Пересчет характеристик насоса на другое число оборотов
Наименование, обозначение
и размерность величиныНомер рабочей точки на характеристике12345Опытные данные. Число оборотов n1 = . . . c-1Подача насоса Q1, м3/сНапор насоса Нн, мМощность полезная Nп, ВтРасчетные данные. Число оборотов n2 = . . . c-1Подача насоса Q2, м3/сНапор насоса Нн, мМощность полезная Nn, Вт Затем по данным таблиц 7.1, 7.2 вычерчиваются на одном графике характеристика насоса при числе оборотов n1 , на другом - при числе оборотов n2 . Причем на втором графике приводятся опытные результаты (таблица 7.1) и расчетные (таблица 7.2).
7.8 Контрольные вопросы
1. Какая гидромашина называется лопастным насосом?
2. Каковы устройство и принцип действия центробежных насосов?
3. Какими параметрами характеризуется работа насосов?
4. Что называется характеристикой центробежного насоса?
5. Что называется режимом работы насоса?
6. В чем состоит различие между расчетным и рабочим режимом?
7. Как определяется режим работы насосов на данную насосную установку? 8. Что представляет собой насосная установка и ее характеристика?
9. Что называется регулированием режима работы насоса? 10. Перечислите способы регулирования режима работы центробежных насосов и проиллюстрируйте их графически? 7.9 Тестовые задания 1. Что такое расчетный режим лопастного насоса?
а) Сочетание подачи, напора и частоты вращения для минимальных гидравлических потерь;
б) режим при заданных подаче, напоре и частоте вращения;
в) зависимость потерь напора от подачи при заданной частоте вращения;
г) режим при максимально возможных значениях напора, подачи и частоты вращения.
2. Определить мощность, потребляемую насосом от двигателя, если избыточное давление на выходе насоса 2,8 МПа, вакуум на входе 0,8 кгс/см2, КПД насоса 0,72. Подача Q=30 л/мин.
а) N= 2 кВт; б) N= 8 кВт; в) N=12 кВт; г) N= 20 кВт.
3. Как изменится высота всасывания жидкости насосом при увеличении температуры жидкости?
а) Увеличится; б) уменьшится;
в) не изменится; г) сначала уменьшится, затем возрастет.
4. По какой формуле оценивается гидравлический КПД лопастного насоса?
а) б) в) г)
где - подводимая к насосу мощность; - гидравлическая мощность за вычетом мощности, затрачиваемой на объемные потери;
- полезная мощность насоса; - гидравлическая мощность; - количество жидкости, поступающей в отвод; - количество жидкости, протекающей через рабочее колесо.
5. Укажите выражение для определения мощности электродвигателя насоса:
а) ; б) ; в) ; г).
6. Характеристикой насосной установки является:
а) зависимость гидравлических потерь от расхода жидкости;
б) зависимость гидравлических потерь от геометрического напора;
в) зависимость потребного напора от расхода жидкости;
г) зависимость КПД насосной установки от режима движения жидкости в напорном трубопроводе.
7. Определить частоту вращения рабочего колеса центробежного насоса, если меридианальная скорость на входе в рабочее колесо υм1=6,28 м/с, угол наклона лопаток 45, радиус входа R1=100 мм. Подвод прямоосный.
а) 1500 об/мин; б) 600 об/мин; в) 150 об/мин; г) 15 об/мин.
8. Гидромашина, которая служит для преобразования энергии движения жидкости в механическую работу выходного звена, называется:
а) гидродвигатель; б) гидродроссель; в) гидронасос; г) гидроаккумулятор.
9. Характеристикой объемного насоса называется:
а) зависимость гидравлических потерь от геометрического напора;
б) зависимость гидравлических потерь от расхода жидкости;
в) зависимость КПД насосной установки от режима движения жидкости в напорном трубопроводе;
г) зависимость подачи и КПД насоса от развиваемого им давления.
10. Режимом работы объемного насоса называется:
а) режим при заданных подаче, напоре и частоте вращения;
б) сочетание подачи, напора и частоты вращения для минимальных гидравлических потерь;
в) сочетание подачи насоса и его КПД, соответствующее харак-
теристикам насоса и его давлению;
г) зависимость потерь напора от подачи при заданной частоте вращения.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ И ПАРАЛЕЛЬНАЯ
РАБОТА НАСОСОВ НА СЕТЬ
8.1 Цель работы:
- составить расчетную схему насосной установки с последовательно и параллельно соединенными насосами;
- построить суммарную характеристику последовательно и параллельно соединенных насосов, работающих на насосную установку.
8.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- усвоить основные понятия и термины по данной теме.
Основные термины и определения:
- дросселирование;
- подача;
- потребляемая мощность;
- потребный напор;
- регулирование.
8.3 Теоретические сведения
8.3.1 Последовательное соединение насосов
Два или несколько насосов, соединенных последовательно, подключают к внешней сети в тех случаях, когда один насос не развивает напор, необходимый для обеспечения заданной подачи. В этом случае общий напор равен сумме напоров отдельных насосов, взятых при одинаковой подаче, т.е.
.
Суммарная характеристика (рисунок 8.1) последовательно соединенных насосов строится сложением ординат кривых напоров отдельных насосов, взятых при одинаковых подачах.
8.3.2 Параллельное соединение насосов
Параллельно соединенные насосы подключают к внешней сети тогда, когда необходимо обеспечить подачу жидкости большую, чем подача одного насоса. При этом возможны два случая:
- насосы работают на один длинный трубопровод (рисунок 8.2), установлены близко друг от друга, приемные уровни обоих насосов одинаковы;
- насосы работают на короткий трубопровод (рисунок 8.3), установлены на значительном расстоянии друг от друга, приемные уровни насосов различны.
В первом случае можно пренебречь потерями напора во всасывающем трубопроводе. Поэтому суммарная характеристика насосов (см. рисунок 8.2) строится сложением абсцисс кривых напора отдельных насосов, взятых при одинаковом напоре, т.е.
Во втором случае (см. рисунок 8.3) сопротивление всасывающего и напорного трубопроводов до узловой точки "О" соизмеримо с потерями напора в общем трубопроводе, т.е. во внешней сети. Поэтому суммарной характеристикой насосов является зависимость полного напора Y в узловой точке "О" от суммарного расхода жидкости во внешней сети.
Полный напор в узловой точке "О" представляет собой сумму геометрического напора z0, взятого относительно плоскости сравнения, проведенной через приемный уровень насоса 2, и пьезометрического напора р0/ в узловой точке "О", т.е.
,
где р0 - избыточное (манометрическое) давление в узловой точке "О";
 - удельный вес перекачиваемой жидкости.
Пьезометрический напор - высота столба жидкости в пьезометрической трубке, подсоединенной к данной точке трубопровода.
Суммарная характеристика (см. рисунок 8.3) строится следующим образом:
а) в системе координат H-Q строятся кривые Н1 и Н2 напоров насосов 1 и 2. При этом начало координат при построении кривой напора насоса 1 находится в плоскости приемного уровня насоса 1, а при построении кривой напора насоса 2 - в плоскости приемного уровня насоса 2;
б) вычисляют потери напора насоса 1 при движении жидкости по трубопроводу АО и потери напора насоса 2 - по трубопроводу ВО:
где k1, k2 - коэффициенты сопротивления напорного и всасывающего трубопроводов насосов 1 и 2 соответственно;
в) из ординат кривых Н1 и Н2 напора насосов 1 и 2 вычитается величина потерь напора hAO и hBO в трубопроводах АО и ВО соответственно, т.е. строятся так называемые кривые 1 и 2 полного напора насосов 1 и 2, приведенные к узловой точке "О". Абсциссы точек пересечения кривых 1 и 2 полного напора с горизонталью, соответствующей уровню жидкости в пьезометрической трубке, - подачи Q1 и Q2 насосов 1 и 2;
г) сложив абсциссы кривых 1 и 2 полного напора насосов 1 и 2, приведенных к точке "О", получим кривую (1 + 2) полного суммарного напора Y насосов 1 и 2, т.е. суммарную характеристику насосов. Точка С пересечения кривой (1 + 2) полного суммарного напора с горизонталью, соответствующей уровню жидкости в пьезометрической трубке - рабочая точка. Ордината рабочей точки С - полный суммарный напор Y насосов, абсцисса - суммарная подача насосов Q, т.е.
Через точку С проходит кривая ОД потерь hод полного напора Y при движении жидкости по трубопроводу ОД.
Потери напора hод вычисляются по формуле
где kод - коэффициент сопротивления трубопровода ОД.
8.4 Оборудование, технические средства и инструменты
Для проведения лабораторной работы необходимы:
- установка для проведения опытов; - секундомер;
- штангенциркуль;
- линейка. 8.5 Описание установки
Основными элементами насосной установки (рисунок 8.4) являются центробежные насосы 1, 2 консольного типа, соединенные с общим трубопроводом 3 напорными трубопроводами 4, 5. В нерабочем состоянии напорный (приемный) резервуар 6, насосы, всасывающие трубопроводы 7, 8 полностью, а напорные трубопроводы частично заполнены водой.
Расход воды через трубопровод 3 определяется посредством расходомеров 9, 10. Пьезометрический напор насосов определяется посредством мановакуумметров 11-14. Избыточное давление потока в месте соединения напорных трубопроводов 4, 5 контролируется мановакуумметром 14. Число оборотов рабочего колеса насосов изменяется путем регулирования напряжения на обмотках электродвигателей 15, 16 постоянного тока. Напряжение регулируется посредством лабораторных автотрансформаторов 17,18 переменного тока. Число оборотов вала электродвигателя, рабочего колеса насосов контролируется с помощью тахогенераторов 19, 20 и тахометров 21, 22. Для контроля и измерения тока и напряжения в обмотках электродвигателя установка снабжена амперметрами 23, 24 и вольтметрами 25, 26. Для последовательного включения насосов в насосную установку напорный трубопровод 4 и всасывающий трубопровод 8 соединены обводной линией 33, содержащей кран 29. С той же целью горизонтальный участок напорного трубопровода 4 содержит кран 31, а трубопровод 8 - кран 32. Для параллельного включения насосов в установку достаточно закрыть кран 29, оставляя другие открытыми.
8.6 Методика проведения опытов
8.6.1 Последовательная работа насосов
Прежде чем ввести установку в действие полностью закрываются краны 27, 28, а краны 29, 30, 31, задвижка 32 полностью открываются. Затем, осмотрев установку и найдя в исправном состоянии все ее элементы, подают напряжение на трансформаторы 17, 18 и, плавно поворачивая их рукоятки, приводят в действие электродвигатели насосов. При этом, ориентируясь по шкале вольтметров 25, 26, устанавливают заданное число оборотов электродвигателей насосов. Затем фиксируют и записывают в таблицу 8.1 показания: манометров 11-14; расходомера 9 или 10, вольтметров 25, 26; амперметров 23, 24. Для определения расхода необходимо измерить с помощью секундомера время, в течение которого через счетчик 9 протекает какой-либо фиксированный объем, например, 10 л.
Расход получают делением этого объема на время.
Опыты проводят при пяти степенях открытия вентиля 30. В первом опыте вентиль полностью закрывают, затем приоткрывают на четверть оборота, затем на пол-оборота, на один оборот и в последнем опыте открывают полностью. Во всех случаях частоту вращения рабочего колеса насосов необходимо поддерживать постоянной и равной заданному значению.
Таблица 8.1 - К построению суммарной характеристики последовательно соединенных насосов
Наименование,
обозначение и размерность величиныНомер рабочей точки12345Подача Q, м3/сНасос 1Давление на выходе р2, ПаДавление на входе р1, ПаСкорость потока на выходе υср2, м/cСкорость потока на входе υср1, м/сПолезный напор Н1, мНасос 2Давление на выходе р2, ПаДавление на входе р1, ПаСкорость потока на выходе υср2, м/cСкорость потока на входе υср1, м/сПолезный напор Н2, мСуммарный напор насосов Н, м
8.6.2 Параллельная работа насосов
Для параллельного включения насосов следует полностью закрыть кран 29, а краны 27, 28, 29, 31, вентиль 30 и задвижку 32 открыть. Затем проводятся те же операции и в той же последовательности, что и при изучении последовательной работы насосов.
При этом снимаются показания манометра 15 и расходомеров 9 и 10.
Результаты всех измерений сводят в таблицу 8.2.
Таблица 8.2 - К построению суммарной характеристики параллельно соединенных насосов
Наименование, обозначение
и размерность величиныНомер рабочей точки12345Насос 1Давление на выходе р2, ПаДавление на входе р1, ПаПолезный напор H1, мСкорость потока на выходе υср2, м/сСкорость потока на входе υср1, м/с Подача Q, м3/с Насос 2Давление на выходе р2, ПаДавление на входе р1, ПаПолезный напор H2, мСкорость потока на выходе υср2, м/сСкорость потока на входе υср1, м/с Подача Q2, м3/сСуммарная подача насосов Q, м3/с Давление в узловой точке р0, ПаПьезометрический напор в узловой точке
р0/, мСуммарный напор насосов Y, м 8.7 Обработка опытных данных Вычисляются необходимые величины. 8.7.1 Усредненная по сечению потока скорость движения воды на выходе и на входе
где Q - подача насоса, м3/с; S2, S1 - площадь сечения на выходе и на входе, м2. 8.7.2 Полезный напор насоса
где z2, z1 - геометрический напор потока на выходе и на входе, м;
р2, р1 - давление на выходе и на входе, Па;
 - удельный вес воды, H/м3;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
8.7.3 Суммарный напор последовательно соединенных насосов:
,
где Н1, Н2 - напор отдельных насосов, м.
8.7.4 Суммарная подача параллельно соединенных насосов:
.
8.7.5 Суммарный полный напор в узловой точке сети:
где z0 - геометрический напор в узловой точке, м;
р0 - давление в потоке в узловой точке, Па.
Результаты вычислений сводятся в таблицы 8.1, 8.2. По данным таблиц 8.1 строится суммарная характеристика последовательно соединенных насосов.
По данным таблицы 8.2 строятся кривые Н1 и Н2 напоров насосов, а также кривая суммарного полного напора в узловой точке, т.е. суммарная характеристика параллельно соединенных насосов.
8.8 Контрольные вопросы
1. В каких случаях применяется последовательное, а в каких параллельное соединение насосов?
2. Как строится характеристика последовательно и параллельно соединенных насосов?
3. Из каких величин складывается напор, приведенный к узловой точке сети?
4. Как определяется подача и напор совместно работающих насосов?
5. Как определяются потери напора при турбулентном режиме движения жидкости по трубопроводам насосной установки? 8.9 Тестовые задания
1. На рисунке показана характеристика:
а) последовательного соединения насосов;
б) параллельного соединения насосов;
в) универсальная характеристика центробежного насоса;
г) характеристика центробежного насоса.
2. Чему равен общий расход при последовательном соединении простых трубопроводов?
а) ; б) ;
в) ; г) 3. Чему равен общий расход при параллельном соединении трех простых трубопроводов?
а) ; б) ;
в) ; г) .
4. Параллельно соединенные насосы подключают к внешней сети тогда, когда:
а) необходимо обеспечить жидкости большую мощность, чем подача одного насоса;
б) необходимо обеспечить жидкости меньшую мощность, чем подача одного насоса.
5. В выражении для полного напора в узловой точке "О"
р0  это
а) избыточное (манометрическое) давление в узловой точке "О";
б) давление; в) напор; г) удельный вес жидкости.
6. В выражении для полного напора в узловой точке "О"
  это
а) избыточное давление; б) полный напор; в) удельный вес перекачиваемой жидкости; г) удельный вес жидкости.
7. В формулах для расчета потерь напора насоса 1 при движении жидкости по трубопроводу АО и потерь напора насоса 2 - по трубопроводу ВО коэффициенты k1, k2  это:
а) коэффициенты Кориолиса; б) коэффициенты расхода жидкости; в) коэффициенты сопротивления напорного и всасывающего трубопро-водов насосов 1 и 2 соответственно.
8. Усредненная по сечению потока скорость движения воды на выходе и на входе
,
S2, S1  это:
а) площадь живого сечения; б) площадь сечения на выходе и на входе; в) площадь сечения на выходе.
9. Полезный напор насоса
где z2, z1 - геометрический напор потока а) на выходе и на входе; б) на выходе; в) на входе;
г) нет верных вариантов.
10. Усредненная по сечению потока скорость движения воды на выходе и на входе. В каких единицах измеряется подача насоса Q? а) м3/с; б) м/с; в) мм3/ч; г) мм/с.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9.
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА
9.1 Цель работы:
- определение скорости движения воздуха посредством трубки Пито-Прандтля;
- построение характеристики центробежного вентилятора;
- построение характеристики сети и определение режима работы вентилятора на данную сеть.
9.2 Подготовка к лабораторной работе
Изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии.
Основные термины и определения:
- вентилятор;
- потребляемая мощность вентилятора;
- полезная мощность вентилятора;
- полный КПД;
- рабочее колесо;
- статический КПД.
9.3 Основные сведения
Вентилятором называется лопастная гидромашина, в которой механическая энергия вращающегося рабочего колеса преобразуется в энергию движущегося газа (воздуха) в результате динамического взаимодействия лопаток рабочего колеса с обтекающим их газом (воздухом).
Предназначены вентиляторы для перемещения и нагнетания газообразных сред (по воздуховодам и без них) из одного объема в другой.
Центробежные вентиляторы широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства. Например, они используются для проветривания (вентиляции) производственных, общественных и жилых помещений, создания определенных условий во многих технологических установках химической и других отраслей промышленности, обеспечения комфортабельных условий на транспорте, создания микроклимата в различных радиоэлектронных приборах и электронно-вычислительных машинах. Диаметры рабочих колес вентиляторов изменяются от нескольких десятков миллиметров до 45 метров, а потребляемая ими мощность от нескольких ватт до нескольких тысяч киловатт.
Работа вентилятора характеризуется следующими аэродинамическими параметрами: подачей Q; полным р, статическим рст и динамическим рдин давлением; потребляемой мощностью N; полным  и статическим ст коэффициентом полезного действия (КПД).
Подача вентилятора определяется по формуле:
, (9.1) где Qизм - объемный расход в выходном патрубке, измеренный расходомером, м3/с; изм - плотность среды в расходомере, кг/м3;
1 - плотность среды на входе в вентилятор, кг/м3.
Полное давление равно разности давлений потока на входе в вентилятор и выходе из него, т.е.
. (9.2)
Динамическое давление определяется по формуле
(9.3)
где  - коэффициент, учитывающий сжимаемость среды;
рдин - динамическое давление, рассчитанное по средней скорости потока на выходе из вентилятора, Па;
2, 2 - плотность и удельный вес среды на выходе из вентилятора, кг/м3 и Н/м3 соответственно.
Коэффициент, учитывающий сжимаемость среды, равен:
, (9,4)
где k - показатель адиабаты (для воздуха k = 1.4).
Если рст  0,02 р1 и vср2  50 м/с, то можно считать  = 1.
Статическое давление равно разности полного и динамического давления, т.е.
. (9.5)
Полезной мощностью называется энергия, передаваемая рабочим колесом вентилятора всему потоку газа (воздуха) в единицу времени. Если предполагать процесс сжатия происходящим без притока тепла при постоянной энтропии во всей среде, то полезная мощность
. (9.6)
Если динамическое давление вентилятора не используется, то полезная мощность
, (9.7)
где
. (9.8)
Если р2/р1  1,3, то Nп = р · Q· ,
где - коэффициент сжимаемости перемещаемой среды.
Если р2/р1  1,3, тогда  = ст, р = рст и (9.9)
Потребная мощность N вентилятора - мощность на валу электродвигателя, т.е. мощность на валу рабочего колеса вентилятора без учета потерь в подшипниках, приводе и др.
Полный и статический КПД вентилятора равны:
(9.10)
Совокупность зависимостей полного и статического давлений, потребляемой мощности, полного и статического КПД вентилятора от его подачи при фиксированной частоте вращения рабочего колеса и постоянной плотности газообразной среды называется индивидуальной аэродинамической характеристикой вентилятора. К примеру, такая характеристика приведена на рисунке 9.1. Характеристику вентилятора определяют, как правило, в результате его аэродинамических испытаний.
Сочетание полного и статического давлений, пот-ребляемой мощности, полного и статического КПД, соответствующих на данной характеристике вполне определенной подаче, называется режимом работы вентилятора. Режимы работы, соответствующие наибольшим значениям полного КПД, для которых справедливо соотношение   0,9 max, называются номинальными.
На рисунке 9.1 номинальным режимам соответствует утолщенный участок кривой полного КПД.
Обычно вентиляторы работают на сеть. Сетью называется система воздуховодов различной протяженности, в которой работает вентилятор. Сеть образуют прямые участки воздуховодов с постоянным по площади и форме поперечным сечением, всевозможные фасонные элементы (тройники, диффузоры, конфузоры, поворотные колена, дроссельные и регулирующие устройства, задвижки, заслонки, решетки). В отдельных случаях элементами сети могут быть такие агрегаты, как фильтр, калорифер, циклон и др.
Режим работы данного вентилятора, установленного в данной сети, называется рабочим. Для определения рабочего режима находят так называемую рабочую точку. Рабочая точка - точка пересечения кривой полного давления вентилятора (рисунок 9.2) с характеристикой сети, на которую он работает.
Характеристика сети - зависимость суммарных потерь давления р во всех элементах сети от расхода газа (воздуха) в ней. Следовательно, газ (воздух) будет перемещаться по воздуховодам данной сети с заданным расходом лишь в том случае, когда полное давление вентилятора равно суммарным потерям давления.
Суммарные потери давления в неразветвленной сети подсчитываются по формуле
, (9.11)
где рi - потери давления в отдельных элементах сети, Па;
k - коэффициент сопротивления сети.
Величина k зависит от конфигурации сети и параметров перемещаемого газа (воздуха). Потери давления в отдельных сопротивлениях определяют по формуле
(9.12)
где i - коэффициент сопротивления элемента;
 - плотность среды, кг/м3;
S - площадь характерного сечения элемента, м2;
Q - расход среды, кг/м3;
n - показатель степени;
υi - средняя скорость потока в характерном сечении элемента, м/с.
Величина i определяется по справочнику в зависимости от вида, размеров и конструктивных особенностей элемента сети и от числа Рейнольдса.
При развитом турбулентном режиме среды n = 2. Для ламинарного режима n = 1.
При неразвитом (переходном) турбулентном режиме 1  n  2.
Характеристику сети можно построить как расчетным путем, используя формулы (9.11) и (9.12), так и экспериментально, измерив перепады (потери) полных давлений во всасывающем и нагнетательном (напорном) воздуховодах для нескольких рабочих режимов вентилятора.
9.4 Оборудование, технические средства и инструменты
Для проведения лабораторной работы необходимы:
- установка для проведения опытов;
- секундомер;
- штангенциркуль;
- линейка.
9.5 Описание установки
Основными элементами установки (рисунок 9.3) являются: вентилятор 1, нагнетательный воздуховод 2. Нагнетательный воздуховод состоит из трех прямых труб. Труба 3 прозрачная и служит измерительным участком, в пределах которого посредством трубки ПитоПрандтля 4 и дифференциального U-образного манометра 5 определяется местная скорость потока. В пределах верхней трубы установлена задвижка 6, посредством которой изменяется расход воздуха.
Давление потока до и после вентилятора фиксируется посредством U-образных дифманометров 7, 8. Число оборотов рабочего колеса вентилятора, вала электродвигателя изменяется путем регулирования напряжения на обмотках электродвигателя постоянного тока 9. Напряжение, подаваемое на электродвигатель, регулируется лабораторным автотрансформатором 10. Число оборотов рабочего колеса вентилятора (вала электродвигателя) контролируется посредством тахогенератора 11 и вольтметра 12. Для контроля и измерения тока и напряжения в обмотках электродвигателя служат амперметр 13 и вольтметр 14.
9.6 Методика проведения опытов
Осмотрев установку (см. рисунок 9.3) и найдя в исправном состоянии все ее элементы, устанавливают задвижку 6 в положение, соответствующее полному открытию воздуховода, а трубку ПитоПрандтля 5 в одно любое из пяти положений, показанных на рисунке 9.3. Затем подают напряжение на входную обмотку трансформатора 10 и, плавно поворачивая его рукоятку, приводят в действие электродвигатель 9, а следовательно, и вентилятор 1. При этом, ориентируясь по шкале вольтметра 12, устанавливают заданное число оборотов рабочего колеса вентилятора. Число делений вольтметра, соответствующее заданной частоте вращения рабочего колеса вентилятора, определяют заранее по
тарировочному графику тахогенератора 11.
Затем фиксируют и записывают в таблицу 9.1 показания манометров 5, 7, 8, вольтметра 14 и амперметра 13. После этого перемещают трубку 5 в остальные четыре положения (см. рисунок 9.3), снимая при этом показания манометра 5. Потом постепенно уменьшают степень открытия задвижки, увеличивая при этом напряжение, подаваемое на обмотки электродвигателя до тех пор, пока напряжение и ток не достигнут некоторого заданного значения, и снова снимают показания вышеназванных контрольно-измерительных приборов и устройств. Повышение напряжения, подаваемого на электродвигатель, необходимо для того, чтобы поддерживать постоянным заданное число оборотов рабочего колеса вентилятора. Те же операции проводят и при трех других степенях закрытия задвижки, промежуточных между первыми двумя. Во всех опытах частота вращения рабочего колеса должна быть постоянной и равной заданному значению n1 - в первой серии опытов и n2 - во второй. Результаты всех измерений сводят в таблицу 9.1.
Таблица 9.1 - К построению характеристики вентилятора
Наименование,
обозначение и размерность величиныПоложение задвижки12345Число оборотов n1 = c-1Разность уровней жидкости в манометре 5 (см. рисунок 9.3), hi, м Местная скорость потока υi, м/c Объемный расход Q, м3/c Средняя скорость потока υ, м/c Давление на входе в вентилятор p1, ПаДавление на выходе из вентилятора p2, ПаПолное давление вентилятора р, ПаДинамическое давление рдин, ПаСтатическое давление рст, Па Полезная мощность Nп, Вт КПД полный КПД статический стТок в электродвигателе I, AНапряжение U, BМощность потребляемая N, ВтЧисло оборотов n2 = c-1То же 9.7 Обработка опытных данных
Используя показания манометров, вычисляют необходимые величины.
9.7.1 Избыточное давление потока на входе в вентилятор где h1 - разность уровней жидкости в манометре 8.
9.7.2 Избыточное давление потока на выходе из вентилятора: где h2, , - разность уровней и удельный вес жидкости в манометре 7.
9.7.3 Местная скорость потока
,
где hi - разность уровней жидкости в манометре 5, для всех пяти положений трубки ПитоПрандтля.
По результатам вычисления местной скорости потока находят:
а) , где υi - местная скорость потока i-й части сечения потока (см. рисунок 9.3); Si - площадь i-й части сечения потока;
б) - среднюю скорость потока, где S - площадь живого сечения потока, поперечного сечения трубы 3.
Затем вычисляют:
- полное, динамическое и статическое давления по формулам (9.3)(9.5);
- полный и статический КПД по формуле (9.10);
- полезную мощность вентилятора по формулам (9.6), (9.7).
Потребляемая мощность вентилятора подсчитывается по формуле
N = I  U,
где I, U - ток и напряжение электродвигателя.
Результаты всех вычислений сводят в таблицу 9.1. По данным таблицы 9.1 строится характеристика вентилятора при двух значениях числа оборотов рабочего колеса.
9.8 Контрольные вопросы
1. Для чего предназначены вентиляторы и каково их применение?
2. Чем характеризуется работа двигателя?
3. Какой коэффициент учитывает сжимаемость среды?
4. Что называется индивидуальной аэродинамической характеристикой вентилятора?
5. Что называется режимом работы вентилятора?
6. Какое соотношение справедливо для режима работы вентилятора?
7. Что называется сетью?
8. Что является характеристикой сети?
9. Перечислите виды построения характеристики сети.
9.9 Тестовые задания
1. Вентиляторы предназначены:
а) для перемещения и нагнетания газообразных сред из одного объема в другой; б) для перемещения газообразных сред; в) для перемещения водных и газообразных сред.
2. Работа вентилятора характеризуется следующими аэродинамическими параметрами:
а) полным р, статическим рст и динамическим рдин давлением; б) потребляемой мощностью N; в) пьезометрической высотой;
г) КПД.
3. Статическое давление равно:
4. Суммарные потери давления в неразветвленной сети подсчитываются по формуле
5. Если динамическое давление вентилятора не используется, то полезная мощность равна:
6. Что такое 1 в формуле для расчета подачи вентилятора:
а) Плотность среды в расходомере; б) плотность среды на входе в вентилятор; в) плотность среды.
7. Если р2/р1  1,3 и тогда а)  > ст; б) р > рст ; в)  = ст, р = рст.
8. Коэффициент, учитывающий сжимаемость среды, равен:
,
где k - показатель адиабаты для воздуха равен
а) 1; б) 2,1; в) 4,1 г) 1,4.
9. Потери давления в отдельных сопротивлениях определяют по формуле
где i - коэффициент сопротивления элемента.
Величина i определяется по справочнику в зависимости: а) от вида, размеров и конструктивных особенностей элемента сети и от числа Рейнольдса;
б) от числа Рейнольдса; в) от размеров и вида элемента сечения; г) от размеров элемента сечения.
10. Подача вентилятора определяется по формуле
где изм  это:
а) плотность; б) плотность среды в расходомере;
в) плотность газа.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10.
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ РОТОРНОГО НАСОСА (4 ЧАСА)
10.1 Цель работы:
- изучить основные способы регулирования подачи роторных насосов;
- построить опытным путем рабочую характеристику шестерен-ного насоса с переливным клапаном.
10.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- усвоить основные понятия и термины по данной теме.
Основные понятия и термины:
- объемный гидропривод;
- гидромашина;
- роторный насос;
- шестеренный насос;
- пластинчатый насос;
- действительная подача;
- давление насоса;
- полезная мощность;
- КПД насоса;
- характеристика насоса;
- режим работы насоса;
- характеристика сети;
- рабочая точка;
- регулирование режима насоса;
- насосный гидропривод.
10.3 Теоретические сведения
В насосных гидроприводах в качестве источника энергии жидкости под давлением, как правило, применяются роторные насосы: роторно-поршневые, пластинчатые, шестеренные (рисунок 10.1), винтовые.
Роторные насосы - объемные гидромашины, предназначенные для преобразования механической энергии двигателя в энергию дви-жущейся жидкости за счет изменения объема рабочих камер при вращательном или вращательно-поступательном движении вытесни-телей (рабочих органов). Отличительным свойством роторных насосов является обратимость, позволяющая использовать их в качестве гидромоторов. В гидромоторах механическая энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию неограниченного вращатель-ного движения выходного звена (вала).
а - пластинчатый; б - шестеренный
1, 3 - рабочие камеры; 2 - точка контакта; 4 - ротор; 5 - пластина; 6 - статор (корпус); 7 - паз; 8 - пружина; 9 - область всасывания; 10 - область нагнетания; 11 - ведущая шестерня; 12, 15 - впадины (рабочие камеры); 13 - ведомая шестерня; 14 - корпус; 16 - зуб
Рисунок 10.1 - Схемы роторных насосов
Шестеренный насос - это зубчатый насос с рабочими органами в виде шестерен, обеспечивающих герметическое замыкание рабочих камер и передачу вращающего момента с ведущего вала на ведомый. Шестеренные насосы могут быть с внешним и внутренним зацеплением.
Наиболее простым по конструкции и самым распространенным является шестеренный насос с внешним зацеплением (рисунок 10.1б). Он состоит из корпуса 14 и двух эвольвентных зубчатых колес (шестерен) 11 и 13, находящихся в зацеплении. В представленной конструкции ведущей является шестерня 11, а ведомой - 13.
При выходе зубьев из зацепления во всасывающей полости рабочий объем увеличивается и жидкость заполняет впадины между зубьями (в том числе затемненную впадину 12). Затем впадины с жидкостью перемещаются по дугам окружности от полости всасывания в полость нагнетания (показано штрихпунктирной линией). В полости нагнетания зубья входят в зацепление, рабочий объем уменьшается и жидкость вытесняется в полость нагнетания. Следует иметь в виду, что впадины несколько больше зубьев, поэтому часть жидкости возвращается обратно в полость всасывания.
Таким образом, рабочей камерой шестеренного насоса является впадина между зубьями, точнее, та часть ее объема, которую занимает зуб при вытеснении жидкости. Для приближенного определения рабочего объема насоса V0 принимают объемы зубьев и впадин равными. Тогда можно считать, что рабочий объем насоса равен суммарному объему всех впадин и зубьев одной шестерни и может быть определен по формуле
или , (10.1)
где D - диаметр начальной окружности шестерни, м; b - ширина шестерни, м; h - высота зубьев (глубина впадин), м;
m - модуль числа зубьев;
z - число зубьев.
Шестеренные насосы с внешним зацеплением получили широкое распространение в машиностроении, так как они просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Эти насосы выпускаются для гидросистем как с высокими давлениями (до 1520 МПа), так и с более низкими (110 МПа). Первые находят применение в гидросистемах тракторов, дорожно-строительных и сельскохозяйственных машин, а вторые используются в станочных гидроприводах и гидросистемах поршневых двигателей. Частоты вращения большинства шестеренных насосов с внешним зацеплением находятся в диапазоне от 1000 до 2500 об/мин. Полные КПД этих насосов обычно составляют от 0,75 до 0,85, а объемные КПД - от 0,85 до 0,95.
Кроме шестеренных насосов с внешним зацеплением, бывают также шестеренные насосы с внутренним зацеплением, когда шестерня меньших размеров располагается внутри более крупного зубчатого колеса. Такие насосы компактнее, но из-за более сложной конструкции по сравнению с насосами с внешним зацеплением они не нашли широкого применения.
Пластинчатый насос - это роторно-поступательный насос с рабочими органами (вытеснителями) в виде плоских пластин. Пластинчатые насосы могут быть однократного, двукратного или многократного действия. На рисунке 10.1а приведена конструктивная схема пластинчатого насоса однократного действия. В пазах вращающегося ротора 4, ось которого смещена относительно оси неподвижного статора 6 на величину эксцентриситета е, установлены несколько пластин 5 с пружинами 8 (или без них). Вращаясь вместе с ротором, эти пластины одновременно совершают возвратно-поступательное движение в пазах 7 ротора. Рабочими камерами являются объемы 1 и 3, ограниченные соседними пластинами, а также поверхностями ротора 4 и статора 6. При вращении ротора рабочая камера 1, соединенная с полостью всасывания, увеличивается в объеме, и происходит ее заполнение. Затем рабочая камера переносится в зону нагнетания. При дальнейшем перемещении ее объем уменьшается, и происходит вытеснение жидкости (из рабочей камеры 3).
Для расчета рабочего объема пластинчатого насоса V0 может быть использована формула (10.1), при этом объем рабочей камеры VК следует определять в ее крайнем левом положении, т. е. когда она изолирована от полостей всасывания и нагнетания. В этом случае
(10.2)
где h - высота рабочей камеры (h = 2е), м;
l - средняя длина части окружности, ограниченной двумя пластинами, м; b - ширина пластины, м.
Длина l может быть приближенно определена по диаметру ротора D с учетом толщины пластины и числа пластин z, т. е.
.
Тогда с учетом формул (10.1) и (10.2) получим приближенную зависимость для вычисления рабочего объема пластинчатого насоса:
.(10.3)
Из анализа последней формулы следует, что для увеличения рабочего объема пластинчатого насоса V0 при сохранении его габаритов, т.е. размеров D и b, необходимо увеличивать эксцентриситет е.
1 - область нагнетания; 2 - область всасывания Рисунок 10.2 - Схема пластинчатого насоса двукратного действия
Кроме того, рабочий объем пластинчатого насоса может быть увеличен за счет кратности его работы k, что достаточно широко применяется на практике. На рисунке 10.2 приведена конструктивная схема пластинчатого насоса двукратного действия. Внутренняя поверхность такого насоса имеет специальный профиль, что позволяет каждой пластине за один оборот вала дважды производить подачу жидкости. У пластинчатого насоса двукратного действия имеются две области всасывания 2, которые объединены одним трубопроводом, и две области нагнетания 1, также объединенные общим трубопроводом. На практике применяются насосы и с большей кратностью, но их конструкции сложнее, поэтому использование таких насосов ограничено.
Пластинчатые насосы могут быть регулируемыми, т. е. иметь переменный рабочий объем. Конструкция пластинчатого насоса однократного действия позволяет изменять его рабочий объем в процессе работы. Для этого достаточно сделать вал ротора подвижным относительно корпуса. Тогда при смещении ротора 4 влево можно не только уменьшить величину е, а следовательно, подачу насоса, но и изменить направление потока жидкости (при е < 0), не меняя направления вращения вала. Для иллюстрации этого на рисунке 10.3 показаны три характерных положения ротора регулируемого пластинчатого насоса.
Рисунок 10.3 - Схема регулирования прямой (а), нулевой (б)
и обратной (в) подач пластинчатого насоса
Следует отметить, что пластинчатые насосы двукратного и многократного действия не могут быть регулируемыми.
Пластинчатые насосы компактны, просты в производстве и надежны в эксплуатации. Поэтому они нашли применение в технике, в первую очередь в станкостроении. Максимальные давления, создаваемые ими, составляют от 7 до 14 МПа. Частоты вращения пластинчатых насосов обычно находятся в диапазоне от 1000 до 1500 об/мин. Полные КПД для большинства составляют от 0,60 до 0,85, а объемные КПД - от 0,70 до 0,92. Выпускаются также регулируемые пластинчатые насосы. 10.3.1 Параметры работы объемных насосов
Работа объемных насосов характеризуется следующими параметрами: действительная подача Q, куб.м/с; давление р, Па; полезная мощность Nп, Вт; потребляемая мощность N, Вт; КПД. , %.
10.3.1.1 Действительная подача - объем жидкости, поступающей в единицу времени из насоса в напорный (нагнетательный) трубопровод:
(10.4)
где о - объемный КПД;
Qи - идеальная подача, м3/с;
qу - расход утечек, м3/с;
qc - расход сжатия, м3/с.
Идеальной подачей называется подача несжимаемой жидкости в единицу времени без учета утечек через зазоры.
где V0 - рабочий объем насоса, м3;
n - частота вращения вала (ротора) насоса, с-1;
Vк - идеальная подача из каждой рабочей камеры за один оборот вала (ротора), м3;
z - число рабочих камер в насосе;
k - кратность действия насоса, т.е. число подач из каждой камеры за один оборот вала (ротора).
10.3.1.2 Давление насоса - разность между абсолютным давлением р2 на выходе из насоса и абсолютным давлением р1 на входе в насос:
(10.5)
Величина называется напором насоса.
10.3.1.3 Полезная мощность - приращение полной механической энергии всей жидкости, проходящей через насос в единицу времени:
(10.6)
где  - удельный вес жидкости, Н/м3;
G - весовая подача, Н/с.
10.3.1.4 Мощность, потребляемая насосом, - мощность, затрачиваемая приводящим двигателем
(10.7)
где Мн - момент на валу насоса, Нм;
н - угловая скорость вращения вала насоса, рад/с.
10.3.1.5 КПД насоса - величина, равная отношению полезной мощности к потребляемой:
(10.8)
где N - потери мощности в насосе.
Потери мощности складываются из механических потерь, объемных и гидравлических потерь. Механические потери - потери мощности на трение в механизме насоса. Объемные потери - потери мощности с утечками жидкости через зазоры. Гидравлические потери связаны с потерями давления (потенциальной энергии давления жидкости) при движении жидкости через насос. Поэтому различают КПД механический М, объемный о и гидравлический г. Полный (общий) КПД равен: .
10.3.2 Характеристика и способы регулирования объемных насосов Объемные насосы работают в гидросистемах, включающих помимо самого насоса ряд дополнительных устройств, обеспечиваю-щих его работу с необходимыми параметрами и характеристикой. Характеристикой насоса называют графическую зависимость давления на выходе насоса от его подачи, полученную при постоянной частоте вращения его вала.
Для построения характеристики насоса (рисунок 10.4а) прежде всего необходимо найти его теоретическую (идеальную) подачу. Такая подача насоса существует при нулевом давлении на выходе насоса (точка А), отсюда следует, что теоретическая подача не зависит от давления насоса, поэтому характеристика идеального объемного насоса представляет собой прямую вертикальную линию I.
Действительная подача насоса меньше теоретической на величину объемных потерь, которые вызваны утечками жидкости через зазоры из полостей с высокими давлениями. Такие утечки существуют в любом самом технически совершенном насосе. Так как зазоры имеют, как правило, малые поперечные размеры, то режим течения в них ламинарный, т. е. величина расхода утечек пропорциональна перепаду давления в первой степени (qут ~ р). Поэтому действительная характеристика насоса представляет собой прямую линию III с наклоном в сторону снижения подачи. Утечки qут растут пропорционально давлению р (), а подача насоса с ростом давления уменьшается .
Действительная характеристика насоса (линия III) может быть построена при известном объемном КПД ηo. Например, известно значение ηo насоса при давлении р = р*. Тогда с использованием формулы (10.4) следует вычислить подачу насоса, соответствующую этому давлению, и на график нанести точку с координатами Q* и р* (точка В). Соединив точки А и В прямой линией III, получим действительную характеристику объемного насоса.
При такой характеристике (линия III) подача насоса незначительно зависит от давления. Однако в ряде гидросистем требуется переменная подача. Для этого линию III "переламывают" в какой-то точке С, получая новую линию II. На участке CD можно существенно изменять подачу при небольшом изменении давления. Линию II иногда называют регуляторной ветвью характеристики. Характеристика ACD может быть получена с помощью дополнительных устройств и поэтому является характеристикой не насоса, а насосной установки. На практике она обеспечивается двумя способами: с помощью переливного клапана или с помощью регулятора подачи.
На рисунок 10.4б представлена схема насосной установки, включающей насос 4 и переливной клапан 2, основным элементом которого является подпружиненный плунжер 3. При небольших давлениях на выходе насоса р плунжер 3 под действием пружины занимает крайнее верхнее положение и перекрывает регулирующую щель 7, поэтому вся жидкость от насоса идет в гидросистему .
Этому режиму работы соответствует линия АС на рисунке 10.4а.
При некотором давлении рр, которое называют давлением настройки клапана, клапан 2 начнет открываться (точка С на рисунке 10.4а), т. е. часть подаваемой насосом жидкости будет направляться через щель 7 клапана 2 в бак, а подача насосной установки уменьшится на величину расхода через клапан Qкл: (точка Е на рисунке 10.4а). При увеличении давления щель 1 и расход через клапан Qкл будут увеличиваться, а подача Qну насосной установки - уменьшаться. Наконец, при давлении р = рmах плунжер 3 полностью сместится вниз, и вся подаваемая насосом жидкость будет перепускаться в бак через щель 1 (Qкл = Qну), a подача насосной установки станет равной нулю (Qну = 0, точка D на рисунке 10.4а).
Рассмотренный способ регулирования подачи используется в технике. Совокупность вполне определенных значений давления, подачи, КПД и потребляемой мощности, характеризующих условие работы данного насоса в данной гидросистеме, называется режимом работы насоса. Для определения режима работы насоса в данной гидросистеме следует на одном и том же графике в одном и том же масштабе построить характеристику насоса и характеристику сети (рисунок 10.5).
Характеристикой сети называется зависимость потерь давления жидкости при ее движении по трубопроводам сети от расхода жидкости в ней. При этом исполнительный механизм (гидродвигатель) следует рассматривать как полезное местное сопротивление, потеря давления Δрд в котором определяется величиной внешней нагрузки (силы, момента).
Точка пересечения линий (Δр +Δрд ) = f(Q) и рн = f(Q)
(точка А) называется рабочей точкой. Рабочая точка однозначно определяет параметры насоса, характеризующие условия работы его в данной гидросети, т.е. режим работы насоса.
Регулирование подачи роторных насосов осуществляется тремя способами:
- изменением частоты вращения ротора, вала насоса;
- установкой (при неизменной частоте вращения вала) перелив-ного клапана (перепуск);
- изменением (при неизменной частоте вращения вала) рабочего объема насоса.
Второй способ регулирования подачи неэкономичен, т.к. часть энергии, сообщаемой насосом жидкости, теряется при движении некоторой ее части через клапан. Однако ввиду простоты и удобства этот способ широко применяется для регулирования подачи шестеренных, винтовых и других насосов с неизменным рабочим объемом.
Наиболее экономичными являются первый и третий способы.
Изменение рабочего объема возможно в пластинчатых, роторно-поршневых и других роторно-поступательных насосах. Например, в пластинчатых насосах (см. рисунок 10.3) изменение рабочего объема осуществляется изменением величины эксцентриситета е. При этом изменение знака эксцентриситета (перемещение ротора из одного крайнего положения в другое) обеспечивает реверс подачи, т.е. изменение направления движения жидкости через насос. В нейтральном положении ротора, когда e=0, подача насоса отсутствует, так как количество жидкости, переносимой из входной камеры одной парой пластин в камеру нагнетания, равно количеству жидкости, переносимому из камеры нагнетания во входную камеру другой парой пластин, диаметрально противоположной первой.
Для регулирования подачи изменением частоты вращения вала (ротора) насоса обычно используются двигатели постоянного тока с переменной частотой вращения вала, а также электродвигатели переменного тока с постоянной частотой вращения вала, снабженные гидромуфтой, соединяющей вал двигателя с валом насоса. Гидромуфта представляет собой гидродинамическую передачу, позволяющую бесступенчато плавно менять передаточное число, частоту вращения вала насоса.
10.4 Оборудование, технические средства и инструменты
Для проведения лабораторной работы необходимы:
- установка для проведения опытов; - штангенциркуль;
- линейка. 10.5 Описание установки
Основными элементами установки (рисунок 10.6) являются объемные гидромашины: шестеренный насос 1; силовой гидроцилиндр 2 двустороннего действия с односторонним штоком. Гидромашины и все остальные элементы гидропривода соединены (по вполне определен-ной схеме) в единую замкнутую гидросистему гидролиниями (трубо-проводами).
В нерабочем состоянии гидробак 3, гидролинии и все остальные элементы гидросхемы заполнены рабочей жидкостью. Для определе-ния расхода жидкости, циркулирующей по трубопроводам гидросис-темы при работе насоса 1, установка снабжена ротаметрами 13, 14. Давление рабочей жидкости на входе в насос определяется посредст-вом вакуумметра 8, а на выходе из насоса, в полостях гидроцилиндра и перед переливным клапаном - посредством манометров 9, 10, 11, 12.
Число оборотов насоса регулируется с помощью электро-двигателя постоянного тока 15. Число оборотов вала электродвигателя изме-няется путем регулирования напряжения на его обмотках. Напряжение, подаваемое на электродвигатель, регулируется лабораторным авто-трансформатором 17. Число оборотов вала электродвигателя, а стало быть и насоса, контролируется посредством тахометра 16. Для контроля и измерения тока и напряжения в обмотках электродвигателя установка снабжена вольтметром 19 и амперметром 20. Гидролиния, содержащая вентиль 7, позволяет провести испытание насоса при работе его на замкнутый контур, включающий: насос 1, ротаметр 13, гидродроссель 4, вентиль 7, гидробак 3. Переливная гидролиния, содержащая переливной клапан 6 и вентиль 7, позволяет изменять расход жидкости, циркулирующей в контуре, т.е. регулировать расход в насосной установке. Кроме того, клапан 6 и переливная линия надежно защищают все элементы гидросистемы от перегрузок.
10.6 Методика проведения опытов
Прежде чем привести в действие электродвигатель и насос, следует полностью открыть дроссель 4 и вентиль 7, а запирающий элемент гидрораспределителя 5 установить в одно из двух крайних положений. После этого приводят в действие электродвигатель и насос. При этом, ориентируясь по шкале тахометра 16, устанавливают заданное число оборотов. Далее фиксируют и записывают в таблицу 10.1 показания следующих приборов: вакуумметра 8, манометров 11, 12; ротаметров 13, 14; вольтметра 19; амперметра 20. Опыты проводят при пяти степенях открытия дросселя 4. В пер-вом опыте вентиль полностью закрывают, затем приоткрывают на четверть оборота, затем на пол-оборота, на один оборот и в последнем опыте открывают полностью. При всех степенях открытия дросселя частота насоса должна поддерживаться постоянной и равной заданной. Опыт таким же образом проводят при двух других частотах вращения вала насоса.
10.7 Обработка опытных данных
Вычисляются необходимые величины величины.
10.7.1 Давление, развиваемое насосом где рвых, рвх - абсолютное давление в потоке на выходе из насоса и на входе в насос, Па. Если выразить давление на выходе через показания манометра и вакуумметра, то .
10.7.2 Подача насоса Qн, м3/с определяется по тарировочному графику ротаметра 13.
10.7.3 Объемный расход жидкости через клапан Qкл, м3/с опреде-ляется по тарировочному графику ротаметра 14.
10.7.4 Расход в насосной установке .
10.7.5 Полезная мощность, подаваемая насосом в насосную установку, Nп, Вт: .
10.7.6 Потребляемая насосом мощность N, Вт: где  = 0,8 - КПД электродвигателя.
10.7.7 КПД насосной установки общий:
Результаты всех вычислений сводят в таблицу 10.1. По результатам опытов и вычислений строятся графики зависимостей: ркл , рн , Nп ,  = f(Qну) , рн = f(Qн).
Графики строятся на одном чертеже, но для каждой частоты вращения вала насоса отдельно.
Таблица 10.1 - К построению рабочей характеристики насоса
Наименование, обозначение
и размерность величинСтепень открытия вентиля
1 2 3 4 5Число оборотов насоса n1 = ... с-1Подача насоса, Q:
в делениях шкалы ротаметра
по тарировочному графику, м3/сРасход через клапан, Qкл:
в делениях шкалы ротаметра
по тарировочному графику, м3/сДавление на входе в насос рвх, ПаДавление на выходе из насоса рвых, ПаДавление перед клапаном ркл, ПаТок в электродвигателе I, АНапряжение в электродвигателе U, ВРасход в гидросистеме Qну = Qн - QклДавление, развиваемое насосом рн, ПаПолезная мощность Nп, ВтПотребляемая мощность N, ВтКПД гидросистемы , %Число оборотов насоса n2 = ... с-1То же Число оборотов насоса n3 = ... с-1То же
10.8 Контрольные вопросы
1. Что называется гидроприводом?
2. Что используется в объемных гидроприводах в качестве источника жидкости под давлением (источника гидравлической энергии)?
3. Что называется роторным насосом?
4. В чем заключается обратимость роторных насосов?
5. В чем отличие подачи идеальной от действительной?
6. Как определяется давление, развиваемое насосом, и его полезная мощность?
7. Мощность, потребляемая насосом, и его КПД.
8. Назовите способы регулирования подачи насосов.
9. Что называется характеристикой роторного насоса?
10. Что называется режимом работы насоса? В чем отличие расчетного и рабочего режимов? 11. Как определить режим работы насоса в данной гидросистеме?
10.9 Тестовые задания
1. Схемы каких насосов представлены на рисунке?
а) роторных; б) осевых; в) центробежных; г) поршневых.
2. Роторно-поступательный насос с рабочими органами (вытеснителями) в виде плоских пластин  это:
а) шестеренный насос; б) поршневой насос;
в) пластинчатый насос; г) роторный насос.
3. В выражении для расчета рабочего объема насоса b  это:
а) высота зубьев (глубина впадин); б) ширина шестерни; в) число зубьев.
4. Объем жидкости, поступающий в единицу времени из насоса в напорный (нагнетательный) трубопровод,  это:
а) действительная подача; б) идеальная подача.
5. Мощность, потребляемая насосом, - мощность, затрачиваемая приводящим двигателем:
где Мн  это:
а) момент насоса; б) момент на валу двигателя насоса; в) момент на валу насоса.
6. Характеристикой насосной установки является:
а) зависимость гидравлических потерь от расхода жидкости;
б) зависимость гидравлических потерь от геометрического напора;
в) зависимость потребного напора от расхода жидкости;
г) зависимость КПД насосной установки от режима движения жидкости в напорном трубопроводе.
7. Регулирование подачи роторных насосов осуществляется:
а) изменением частоты вращения ротора, вала насоса;
б) установкой (при неизменной частоте вращения вала) перелив-ного клапана;
в) изменением (при неизменной частоте вращения вала) рабочего объема насоса;
г) все вышеперечисленные варианты верны.
8. Полезная мощность насоса определяется по формуле:
а) б) в) г) 9. Величина называется:
а) напором насоса; б) мощностью насоса;
в) давлением насоса.
10. КПД насоса  это:
а) величина, равная отношению полезной мощности к потреб-ляемой;
б) величина, равная отношению потребляемой мощности к полезной;
в) величина, равная приращению полной механической энергии всей жидкости, проходящей через насос в единицу времени.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11.
ДРОССЕЛЬНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ГИДРОПРИВОДА
(4 ЧАСА)
11.1 Цель работы:
- изучить основные способы регулирования объемного гидро-привода;
- определить опытным путем характер изменения скорости движения штока гидроцилиндра при регулировании насосного гидропривода дросселированием и зависимость ее величины от величины внешней нагрузки, приложенной к штоку;
- определить опытным путем характер зависимости между вели-чиной внешней нагрузки и режимом (условиями) работы насоса.
11.2 Подготовка к лабораторной работе:
- изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
- усвоить основные понятия и термины по данной теме.
Основные понятия и термины:
- поступательное движение;
- вращательное движение;
- поворотное движение;
- силовые гидроцилиндры;
- моментные гидроцилиндры;
- выходное звено;
- гидродвигатель;
- вспомогательные устройства;
- гидроаппаратура;
- кондиционеры рабочей среды;
- гидролинии;
- гидросистема;
- аккумуляторный гидропривод;
- магистральный гидропривод.
11.3 Теоретические сведения
Гидропривод, в котором скорость движения выходного звена можно изменить по заданному закону, является регулируемым. Применяются следующие два способа регулирования: объемное регулирование; дроссельное регулирование.
При объемном регулировании скорость движения выходного звена изменяется путем изменения рабочего объема насоса или гидродви-гателя или того и другого. Регулирование изменением объема насоса возможно лишь в гидроприводах, содержащих роторные насосы с переменным рабочим объемом, например, пластинчатые, роторно-поршневые, аксиально-поршневые насосы. Регулирование изменением объема гидродвигателя возможно лишь в гидроприводах вращатель-ного движения, содержащих гидромотор с переменным объемом рабочих камер.
Дроссельный способ регулирования скорости движения выходного звена применяется в гидроприводах с нерегулируемыми гидромашинами. При этом изменение скорости выходного звена возможно за счет изменения расхода жидкости Q , поступающей в гидродвигатель. Поэтому в таких гидроприводах при подаче насоса Qн часть жидкости отводится в бак, минуя гидродвигатель. Основным управляющим элементом таких приводов является регулируемый гидродроссель. В зависимости от места установки регулируемого гидродросселя по отношению к гидродвигателю различают гидроприводы с параллельным и последовательным включением гидродросселя.
На рисунке 11.1а приведена принципиальная схема гидропривода, в котором регулирование скорости движения выходного звена (штока гидроцилиндра 4) обеспечивается за счет изменения площади проходного сечения Sдр регулируемого дросселя 5, включенного параллельно. Кроме отмеченных элементов, схема включает насос 1, клапан 2, гидрораспределитель 3 и бак 6.
При расходе жидкости Qдр через гидродроссель 5 расход жидкости, поступающей в гидроцилиндр 4, рассчитывается по формуле
(11.1)
где Qн - подача насоса,м3/с.
Расход Qдр при коэффициенте расхода μ определяется по формуле:
. (11.2)
Так как перепад давления на дросселе Δpдр равен перепаду давления на гидроцилиндре Δpг, найдем его при известной нагрузке на штоке F и площади поршня Sn.
Следовательно, скорость движения поршня (штока) гидроцилиндра
(11.3)
Из полученной формулы видно, что скорость движения выходного звена в таком гидроприводе будет меняться при изменении площади проходного сечения регулируемого гидродросселя Sдр.
Регулировочная характеристика, представляющая собой графическую зависимость регулируемой величины υ от параметра регулирования Sдр, т.е. υ=f(Sдр), приведена на рисунке 11.1б (построена по формуле (11.3)). На графике видно, что вторым фактором, оказывающим существенное влияние на скорость поршня гидроцилиндра, является нагрузка F.
1 - насос; 2 - предохранительный клапан; 3 - гидрораспределитель; 4 - гидроцилиндр; 5 - гидродроссель; 6 - бак
Рисунок 11.1 - Схема гидропривода с параллельным включением дросселя (а); регулировочная (б) и нагрузочная (в) характеристики
Графическая зависимость скорости от нагрузки υ=f(F), которая называется механической, или нагрузочной характеристикой гидропривода, приведена на рисунке 11.1в. Она построена в соответствии с формулой (11.3) для двух значений Sдр в диапазоне изменения нагрузки от нуля до максимальной FТ.
В рассматриваемом гидроприводе давление рн на выходе насоса 1 зависит от нагрузки F и не является постоянным, поэтому такую систему регулирования называют системой с переменным давлением питания. Клапан 2, установленный в гидросистеме, является предохранительным. Гидрораспределитель 3 служит для измснсния направления движения штока гидроцилиндра 4.
Одним из недостатков таких гидроприводов является то, что в них скорость регулируется только в том случае, если нагрузка создает сопротивление движению выходного звена. При помогающей нагрузке может произойти отрыв поршня от рабочей жидкости в гидроцилиндре.
Дроссельное регулирование осуществляется дросселированием (сужением) потока рабочей жидкости в дросселе (местном сопротив-лении, величина гидропотерь в котором может быть изменена) или отводом части потока через клапан обратно в гидробак.
На рисунке 11.2а представлена принципиальная схема гидропривода с дроссельным регулированием скорости при последовательном включении гидродросселя 5 (на входе в гидроцилиндр 4). Кроме отмеченных элементов, схема включает насос 1, клапан 2, гидрораспределитель 3 и бак 6.
Так как гидродроссель 5 и гидроцилиндр 4 включены последовательно, то расход жидкости Qг, поступающей в гидроцилиндр 4, равен расходу жидкости, проходящей через регулируемый гидродроссель 5:
(11.4)
где - перепад давления на гидродросселе 5. С учетом принятых допущений
В данном гидроприводе давление на выходе насоса рн поддерживается постоянным при помощи переливного клапана 2. Тогда скорость поршня
. (11.5)
Анализ полученной формулы показывает, что скорость движения поршня гидроцилиндра 4, как и в гидроприводе с параллельным включением гидродросселя, является функцией двух переменных: площади проходного сечения регулируемого гидродросселя Sдр и преодолеваемой нагрузки на штоке гидроцилиндра F.
На рисунках 11.2б, в приведены регулировочная и нагрузочная характеристики, построенные в соответствии с формулой (11.5).
1 - насос; 2 - переливной клапан; 3 - гидрораспределитель;
4 - гидроцилиндр; 5 - гидродроссель; 6 - бак
Рисунок 11.2 - Схема гидропривода с последовательным включением дросселя (а); регулировочная (б) и нагрузочная (в) характеристики
Следует отметить, что гидропривод с гидродросселем 5 на входе в гидроцилиндр 4 (см. рисунок 11.2а), как и гидропривод с параллельным включением гидродросселя, допускает регулирование скорости выходного звена только при нагрузке, направленной против движения. При помогающей нагрузке может произойти отрыв поршня от рабочей жидкости в гидроцилиндре. Поэтому в гидроприводах, работающих в условиях знакопеременной нагрузки, для обеспечения надежного регулирования скорости выходного звена рекомендуется установка гидродросселя на выходе из гидродвигателя. В этом случае уравнение (11.4) также справедливо.
Кроме того, регулирование гидропривода может осуществляться изменением скорости вращения вала электродвигателя (или иного двигателя), приводящего в действие насос.
В любом случае при регулировании гидропривода реализуется его основная функция - изменение скорости движения выходного звена гидродвигателя, а стало быть, и рабочего органа какой-либо машины, какого-либо механизма.
Гидродвигателем называется гидромашина, преобразующая энергию потока жидкости в механическую энергию движения выход-ного звена (рабочего органа). Гидродвигатель, преобразующий энергию жидкости в механическую энергию возвратно-поступатель-ного движения выходного звена, называется силовым гидроцилиндром. На рисунках 11.3 и 11.4 приведены схемы простейших конструктивных форм силовых гидроцилиндров двух типов: двустороннего и одностороннего действия.
а - с односторонним штоком, б - с двусторонним;
1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - шток
Рисунок 11.3 - Схемы гидроцилиндров двустороннего действия:
1 - плунжер; 2 - пружина
Рисунок 11.4 - Схема силового гидроцилиндра
одностороннего действия
Конструкции цилиндров, показанные на рисунке 11.3, включен-ные в гидросистему по схеме а), обеспечивают большое усилие при рабочем ходе (слева направо) и высокую скорость движения поршня и штока при обратном ходе (справа налево). Рабочий ход совершается при подаче жидкости от источника в левую полость цилиндра. При этом жидкость вытесняется поршнем из правой полости в приемный резервуар (гидробак). При обратном ходе жидкость с тем же расходом подается в правую полость и вытесняется поршнем из левой. Изменение направления движения поршня (реверс гидроцилиндра) осуществляется поворотом рабочего органа распределительного устройства из одного крайнего положения в другое. Если необходимо получить при той же схеме включения цилиндра одинаковые усилия при постоянном давлении или одинаковую скорость при постоянном расходе жидкости, то применяются гидроцилиндры с ложным (двойным) штоком (см. рисунок 11.3б).
Поршень гидроцилиндра (см. рисунок 11.3а) одностороннего действия, выполненный в виде штока, совершает обратный ход посредством пружины или внешней нагрузки. Основным достоинством таких цилиндров является простота изготовления, так как отпадает необходимость в обработке внутренней поверхности цилиндра. Такие цилиндры применяются, когда необходимо реализовать небольшое усилие рабочего и обратного хода при небольшой его величине и сравнительно больших скоростях перемещения штока.
Основными параметрами цилиндров являются:
D - диаметр поршня (внутренний диаметр цилиндра), м;
S - рабочая площадь поршня, м2;
V - объем цилиндра, м3;
F - усилие, развиваемое поршнем, Н;
- скорость перемещения поршня, м/с;
L - ход поршня, штока, м.
Диаметр поршня без учета трения равен:
(11.6)
где - давление жидкости, т.е. разность давлений перед и за поршнем, другими словами - падение давления в гидроцилиндре, как в полезном местном сопротивлении, Па;
S - рабочая площадь поршня, м2 . Рабочая площадь поршня равна:
- для цилиндра, показанного на рисунке 11.3а, при подаче жидкости в полость, противоположную штоку,
(11.7)
- для цилиндра, изображенного на рисунке 11.1.б
; (11.8)
- для цилиндра одностороннего действия (см. рисунок 11.3а)
.(11.9)
Скорость перемещения поршня без учета утечек жидкости через зазоры между поршнем, штоком и цилиндром равна
,(11.10)
где Q - расход жидкости в рабочую полость цилиндра, м3/с.
Максимально возможная величина усилия, развиваемого гидроцилиндром, равна
,(11.11)
где М - механический КПД силового гидроцилиндра;
- усилие, развиваемое цилиндром без учета трения поршня и штока в цилиндре.
Величина М зависит от ряда факторов (материал, чистота обработки и состояние поверхностей трения штока, поршня, цилиндра, вид уплотнений зазоров и др.).
Фактическая скорость движения поршня и штока несколько ниже расчетной из-за утечек жидкости через зазоры и равна
,(11.12)
где 0 - объемный КПД гидроцилиндра.
Величина 0 зависит от перепада давлений жидкости, ее текучести, типа уплотнений и пр. Для современных конструкций гидроцилиндров значения механического и объемного КПД обычно равны: М = 0,85...0,97, о = 0,98...0,99 [1].
Гидродвигатели, преобразующие энергию жидкости в механичес-кую энергию возвратно-поворотного движения выходного звена, называются моментными гидроцилиндрами.
На рисунке 11.5 приведены схемы основных конструктивных форм моментных гидроцилиндров двух типов: однопластинчатого (рисунок 11.5а) и двухпластинчатого (рисунок 11.5б). Моментные гидроцилиндры  практически безинерционные поворотные гидро-двигатели, обеспечивающие большие крутящие моменты силового звена (вала).
а - однопластинчатый, б - двухпластинчатый;
1 - корпус; 2 - ротор (вал); 3 - подвижная пластина; 4 -уплотнение; 5, 5/ - рабочие полости; 6 - каналы
Рисунок 11.5 - Схемы моментных гидроцилиндров
Например, трехпластинчатые цилиндры при давлении до 200 кгс/см2 обеспечивают крутящие моменты до 40 тсм [1]. Угол поворота вала зависит от числа пластин. Наибольшие углы поворота (от 270 до 280°) обеспечивают однопластинчатые цилиндры. С увеличением числа пластин угол поворота уменьшается, а крутящий момент увели-чивается. Так как с увеличением числа пластин сокращается возмож-ный угол поворота вала, то цилиндры с числом пластин более трех применяются редко. Основной недостаток моментных гидроцилиндров заключается в трудности обеспечения герметичности рабочих полостей (камер), т.е. уплотнения зазоров между торцами пластин и внутренней поверхностью цилиндра.
Крутящий момент М, развиваемый цилиндром, угол поворота и угловая скорость поворота  вала являются основными параметрами моментных гидроцилиндров.
Величина крутящего момента и угловая скорость поворота без учета потерь на трение пластин и вала и утечек жидкости в цилиндре равны:
, (11.13)
, (11.14)
где b - ширина пластин, м;
z - число пластин;
D - внутренний диаметр цилиндра, м; Dв - диаметр вала, м;
pд - разность давлений жидкости перед и за пластиной, другими словами - падение (перепад) давлений в гидроцилиндре как в полезном местном сопротивлении.
Максимально возможная величина крутящего момента, развивае-мого цилиндром, равна
, (11.15)
где М - механический КПД моментного гидроцилиндра.
Величина М зависит от материала и состояния поверхностей трения (торцов пластин, поверхности вала и цилиндра), вида уплотнений зазоров и др.
Фактическая скорость поворота вала несколько ниже расчетной из-за утечек жидкости через зазоры и равна:
,(11.16)
где 0 - объемный КПД моментного гидроцилиндра.
Величина 0 зависит от перепада давлений жидкости, ее текучести и типа уплотнений.
11.4 Оборудование, технические средства и инструменты
Для проведения лабораторной работы необходимы:
- установка для проведения опытов;
- штангенциркуль;
- линейка. 11.5 Описание установки
Основными элементами установки (объектами изучения гидропривода) (рисунок 11.6) являются объемные гидромашины: шестеренный насос 1, силовой гидроцилиндр 2 двустороннего действия с односторонним штоком.
1 - шестеренный насос; 2 - силовой гидроцилиндр; 3 - гидробак;
4 - гидродроссель; 5 - гидрораспределитель; 6 - гидроклапан;
7 - вентиль; 8 - вакуумметр; 9-12 - манометры; 13, 14 - ротаметры;
15 - электродвигатель постоянного тока; 16 - тахометр;
17 - лабораторный автотрансформатор (JIATP); 18 - переключатель;
19 - вольтметр; 20 - амперметр
Рисунок 11.6 - Схема лабораторной установки
Регулирование скорости штока гидроцилиндра и его реверс обеспечивают гидродроссель 4, гидрораспределитель 5 и переливная гидролиния, содержащая клапан 6. Кроме того, клапан 6 и переливная линия надежно защищают все элементы гидропривода от перегрузок (чрезмерно больших давлений).
Гидромашины и все остальные элементы гидропривода соединены (по вполне определенной схеме) в единую замкнутую гидросистему гидролиниями (трубопроводами).
В нерабочем состоянии гидробак 3, гидролинии и все остальные элементы гидросистемы заполнены рабочей жидкостью.
Для определения расхода жидкости, циркулирующей по трубопроводам гидросистемы при работе насоса 1, установка снабжена ротаметрами 13, 14.
Давление рабочей жидкости на входе в насос определяется посредством вакуумметра 8, а на выходе из насоса, в полостях гидро-цилиндра и перед переливным клапаном - посредством манометров 9, 10, 11, 12.
Число оборотов насоса регулируется посредством электро-двигателя постоянного тока 15. Число оборотов вала электродвигателя изменяется путем регулирования напряжения на его обмотках.
Напряжение, подаваемое на электродвигатель, регулируется лабораторным автотрансформатором 17.
Число оборотов вала электродвигателя, а стало быть и насоса, контролируется посредством тахометра 16.
Для контроля и измерения тока и напряжения в обмотках электро-двигателя установка снабжена вольтметром 19 и амперметром 20.
11.6 Методика проведения опытов
Прежде чем привести в действие насос, полностью закрывают вентиль 7, открывают гидродроссель 4. Запирающий элемент гидрорас-пределителя 5 устанавливают в одно из двух крайних положений.
Затем подают переключателем 18 напряжение на ЛАТР 17 и, плавно поворачивая его рукоятку, приводят в действие электродви-гатель и насос. При этом, ориентируясь по шкале тахометра 16, уста-навливают заданное число оборотов насоса.
Следует обратить внимание на то, что в момент смещения подвижного звена гидроцилиндра "поршеньшток" в крайнее левое (или правое) положение откроется полностью предохранительный переливной клапан 6 и насос станет работать "сам на себя". Показания ротаметров 13, 14 будут одинаковы.
Далее, сняв показания приборов 814, 19, 20, устанавливают запирающий элемент гидрораспределителя 5 в другое крайнее положение и фиксируют его в этом положении, удерживая кнопку управления в нажатом состоянии. Прежде чем звено "поршеньшток" придет в крайнее левое (или правое) положения, снимают показания следующих приборов: вакуумметра 8, манометров 912, ротаметров 13, 14, вольтметра 19, амперметра 20.
Таким же образом проводят опыт, как при подаче жидкости в гидроцилиндр со стороны штока, так и с противоположной стороны, при четырех других степенях открытия гидродросселя 4, отличных от первой, соответствующей полному открытию дросселя.
После этого нагружают шток гидроцилиндра усилием, равным весу груза, подвешиваемого к тросу, перекинутому через блок и прикрепленному к штоку. Вес груза имитирует внешнюю полезную нагрузку, действующую на шток со стороны какого-либо рабочего органа или какой-либо машины, механизма.
Затем поворачивают запирающий элемент гидрораспределителя 5 в то крайнее положение, которое обеспечивает подачу жидкости в гидроцилиндр со стороны штока и фиксируют, прежде чем звено "поршеньшток" сместится в крайнее правое положение, показания приборов 814, 19, 20.
Опыты проводят с четырьмя разными грузами, при пяти разных степенях открытия гидродросселя 4, одна из которых соответствует полному открытию дросселя. Показания приборов во всех опытах сводят в таблицу 11.1.
Таблица 11.1 - К определению параметров силового гидроцилиндра
Наименование, обозначение
и размерность величинСтепень открытия дросселя 1 2 3 4 5Усилие, приложенное к штоку F = ... HПоказание ротаметра 13 (см. рисунок 11.6),
m делений шкалыРасход жидкости через ротаметр 13 Q13 , м3 / сПоказания ротаметра 14, m делений шкалыРасход жидкости через ротаметр 14 Q1 , м3 / сДавление в потоке на выходе из насоса pвых, ПаДавление в потоке на входе в насос pвх , ПаТок в электродвигателе I, АНапряжение на электродвигателе U, ВДавление по манометру 9 (см. рисунок 11.4) р11, ПаДавление по манометру 10 р12 , ПаРасход жидкости, поступающей в гидроцилиндр, Q, м3 / сРазность давления перед и за поршнем в гидроцилиндре рд , ПаСкорость движения поршня п м/сДавление, развиваемое насосом, рн , ПаПолезная мощность насоса Nп, ВтПотребляемая мощность N, ВтКПД насоса  , % 11.7 Обработка опытных данных
Вычисляются по формулам необходимые величины.
11.7.1 Давление, развиваемое насосом:.
11.7.2 Расход жидкости, поступающей в гидроцилиндр .
11.7.3 Скорость движения звена поршеньшток где S - площадь рабочей поверхности поршня, м2. Причем при подаче жидкости со стороны штока
,
при подаче со стороны, противоположной штоку, ,
где D, Dш - диаметры поршня и штока соответственно, м.
11.7.4 Полезная мощность насоса .
11.7.5 Потребляемая мощность где  = 0,8 - КПД электродвигателя.
11.7.6 КПД насоса .
11.7.7 Полезная работа, совершаемая гидроцилиндром в единицу времени , где F = G - усилие, приложенное к штоку, Н.
11.7.8 Перепад давления в гидроцилиндре где рp, рв - давление жидкости в рабочей камере гидроцилиндра и в камере вытеснения (pp = p9; pв = p10).
11.7.9 Усилие, развиваемое гидроцилиндром:
- для случая подачи жидкости со стороны штока
- для случая подачи жидкости со стороны, противоположной штоку, где Fтр  сила трения в уплотнениях зазоров между наружной поверхностью поршня и внутренней поверхностью цилиндра, между наружной поверхностью штока и поверхностью отверстия под шток в торцовой стенке цилиндра.
11.7.10 КПД гидроцилиндра механический
.
Результаты всех вычислений сводят в таблицу 11.1.
По данным таблицы строят графики зависимостей:
- на графиках первой серии строят зависимости параметров гидроцилидра от усилия, приложенного к его штоку, т.е. υп, М, р, А = f(F);
- на графиках второй серии строят зависимость параметров гидроцилиндра от степени открытия дросселя, т.е. υп, М, р, А = f (степени открытия дросселя);
- на графиках третьей серии строят зависимости параметров насоса от усилия, приложенного к штоку, т.е. рн, Q, Nп , N, М = f(F).
При этом на графиках первой и третьей серий зависимости строятся для всех степеней открытия дросселя, а на графиках второй - для всех значений нагрузки F, приложенной к штоку.
11.8 Контрольные вопросы
1. Что называется гидроприводом?
2. Каково назначение гидропривода, его основные функции и применение?
3. Назовите способы регулирования гидропривода.
4. Что такое гидродвигатель?
5. Какие вы знаете основные типы гидродвигателей?
6. Каковы основные параметры гидроцилиндров?
7. Опишите принцип действия гидропривода.
8. Назовите виды рабочих жидкостей, их назначение и рабочее давление.
11.9 Тестовые задания
1. Гидропривод, в котором скорость движения выходного звена можно изменить по заданному закону, является регулируемым. Какие способы регулирования применяются?
а) Объемное регулирование; б) дроссельное регулирование;
в) верны оба варианта.
2. Гидромашина, в которой механическая энергия преобразуется в энергию жидкости за счет изменения рабочего объема насоса при вращении или поступательном движении рабочих органов, называется
а) объемным гидродвигателем; б) объемным насосом;
в) центробежным насосом; г) лопастным насосом.
3. Гидромашина, которая служит для преобразования энергии движения жидкости в механическую работу выходного звена, называется
а) гидродвигатель; б) гидродроссель;
в) гидронасос; г) гидроаккумулятор.
4. Устройства, посредством которых изменяется направление потока, расход и давление жидкости, т. е. в конечном итоге осущест-вляется регулирование и реверсирование скорости движения выход-ного звена, а также защита элементов гидропривода от перегрузок, чрезмерно высоких или низких давлений жидкости называются
а) гидроцилиндрами; б) гидрораспределителями;
в) гидроаппаратурой; г) гидродросселями.
5. Гидродвигатель, преобразующий энергию жидкости в механи-ческую энергию возвратно-поступательного движения выходного звена, называется
а) моментным гидроцилиндром; б) силовым гидроцилиндром;
в) гидрораспределителем; г) лопастным насосом.
6. Трубопроводы, соединяющие в единую гидросистему все эле-менты гидропривода называются
а) гидромоторами; б) гидроаккумуляторами;
в) гидролиниями; г) гироаппаратурой.
7. Скорость поршня рассчитывается по формуле
а) б) в) г) 8. Диаметр поршня без учета трения равен:
.
9. Для современных конструкций гидроцилиндров значения механического и объемного КПД обычно равны
а) м = 0,75...0,87, о = 0,9...0,99; б) м = 0,95...0,99, о = 0,96...0,99;
в) м = 0,85...0,97, о = 0,98...0,99; г) м = 0,80...0,95, о = 0,995...0,99.
10. Гидродвигатели, преобразующие энергию жидкости в меха-ническую энергию возвратно-поворотного движения выходного звена, называются а) гидромоторами; б) моментными гидроцилиндрами;
в) силовыми гидроцилиндрами; г) гидропередачей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Схиртладзе, А.Г. Гидравлика в машиностроении: учебник в 2 ч. / А.Г. Схиртладзе [и др.]. - Старый Оскол: ТНТ, 2008. - Ч.1. - 392 с., - Ч.2. - 496 с.
2. Лепешкин, А.В. Гидравлические и пневматические системы: учеб. для вузов / А.В. Лепешкин, А.А. Михайлин; под ред. проф. Ю.А. Беленкова. - М.: Изд. центр "Академия", 2004. - 336.
3. Артемьева, Т.В. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: учеб. пособие для студ. высших учеб. заведений / Т.В. Артемьева [и др.]; под. ред. С.П. Стесина. - М.: Изд. Центр "Академия", 2005. - 336 с.
4. Попов, Д.Н. Механика гидро-и пневмоприводов: учеб. для вузов /Д.Н. Попов. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 320 с.
5. Росляков, А.И. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: курс лекций: в 2 ч. /А.И. Росляков. - Бийск: Алт. гос. техн. ун-т, 2007.
Ч.1: Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Основы гидравлики: курс лекций для студентов механических специальностей.  96 с.
Ч.2: Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Гидромашины и гидроприводы: курс лекций для студентов механических специальностей: 151001  ТМ, 170104 - ВУАС, 190603  АТ, 240706  АПХП, 260601 - МАПП очной, очно-заочной и заочной форм обучения.  118 с.
Учебное издание
Росляков Анатолий Иванович
Ломоносова Людмила Владимировна
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам
Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ
по курсам "Гидравлика", "Гидравлика и гидромашины",
"Основы гидравлики и гидропривода" для студентов специальностей:
ТМ - 151001, ВУАС - 170104, АТ - 190603, АПХП - 240706, МАПП - 260601, ТГВ - 270109 Редактор Идт Л.И.
Технический редактор Сазонова В.П.
Подписано в печать 29.10.09. Формат 60×84 1/16
Усл. п.л 7,96. Уч.-изд. л. 8,57.
Печать − ризография, множительно-копировальный
аппарат "RISO EZ300"
Тираж 100 экз. Заказ 2009-106
Издательство Алтайского государственного технического университета
656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46
Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ
Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ
659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27
80
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
403
Размер файла
4 444 Кб
Теги
lab, 2010, praktiku
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа