Построение линий удельных энергий

Диаметр сечения d, м

1, 5, 9, 13, 17, 21,

2, 6, 10, 14, 18, 22

3, 7, 11, 15, 19, 23

4, 8, 12, 16, 20, 24

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

Тема: Графическое представление и применение уравнения Бернулли.

Цель работы: по расчетным данным построить в масштабе линии пьезометрического и скоростного напоров.

Материалы и литература:

1. Методические указания;

2. Установка для исследования уравнения Бернулли;

3. Лепешкин А.В. «Гидравлические пневмоколесные системы»: учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образование: издательский центр «Академия». 2006.

Методические указания

Теоретическое введение

Основное отличие реальной жидкости от идеальной - наличие у первой вязкости.

Вязкость - первопричина, вызывающая потери энергии при движении жидкости. Различают динамический ( ) и кинематический ( ) коэффициенты вязкости, связанные между собой плотностью жидкости:

( ) (2.1)

Вязкость зависит от рода жидкости, температуры и в меньшей степени давления. Для воды при атмосферном давлении кинематический коэффициент вязкости вычисляется по формуле Пуазейля:

(2.2)

Важную роль в гидродинамике играет уравнение постоянство расхода:

(2.3)

т.е., при установившемся движении жидкости объемный расход во всех живых (поперечных) сечениях трубопровода одинаков и равен произведению средней скорости ( ) на площадь сечения ( ).

Уравнение (2.3) является частным случаем закона сохранения вещества применительно к гидродинамике.

Основным уравнением практической гидродинамики является уравнение Бернулли, дающее связь между давлением, скоростью и геометрической высотой и различных сечениях трубопровода.

Для потока идеальной жидкости уравнение Бернулли имеет вид:

(2.4)

Геометрический смысл уравнении Бернулли (2.4) заключается в том, что слагаемые уравнения имеют линейную размерность, а их сумма для любого сечения есть величина постоянная и равна полному напору истечения Н₀.

Энергетический смысл уравнения Бернулли заключается в том, что сумма удельных потенциальной и кинетической энергий для потока идеальной жидкости, находящегося в установившемся движении, всегда постоянна. С энергетической точки зрения уравнение (2.4) представляет собой частный случай закона сохранения и превращения энергии. Для потока реальной жидкости при установившемся движении уравнение Бернулли имеет вид:

(2.5)

Из сравнения уравнений (2.4) и (2.5) можно выделить следующие отличительные признаки:

1. Вместо скорости отдельной частицы идеальной жидкости вводится средняя скорость потока ( ).

2. Введен коэффициент кинетической энергии потока ( ), учитывающий неравномерность распределения скоростей частиц жидкости по сечению трубы и зависящей от режима движения. Для ламинарного движения , а для турбулентного .

3. В правой части уравнения (2.5) появилось дополнительное слагаемое ( ), называемое потерянным напором, истраченным на преодоление гидравлических сопротивлений.

Таким образом, если для потока идеальной жидкости напор истечения ( ) в любом сечении трубопровода определяется суммой трех слагаемых, то для потока реальной - суммой четырех слагаемых.

Это объясняется тем. что при переходе жидкости вдоль трубы от одного сечения к другому тратится часть удельной энергии на преодоление вязких сопротивлений, находящихся между этими сечениями, т.е. удельная энергия реальной жидкости по направлению ее движения всегда уменьшается на величину потери напора ( ).

Экспериментальные исследования ученых показали, что на величину потерь напора существенное влияние оказывают режимы движения жидкости: ламинарный и турбулентный. В ходе исследований выяснилось, что механизм потерь напора (удельной энергии) на преодоление гидравлических сопротивлений при ламинарных и турбулентных режимах существенно различен.

Физическая характеристика условий, определяющих режим движения, была найдена английским физиком Рейнольдсом. Он дал формулу и критерии, с помощью которых можно наверняка предсказать режим движения:

(2.6)

Если - режим ламинарный,

Если - режим турбулентный.

Влияние режима движения на величину потерь напора будет подробно рассмотрено в последующих лабораторных работах.

В заключение следует отметить, что одной из важнейших задач практической гидравлики, без решения которой применение уравнения Бернулли невозможно, является количественное определение потерь напора.

Не зная потока формул по количественному определению потерь напора, в этой работе потери напора находят как разность между уровнем воды в напорном баке и суммарным напором в сечении.

(2.7)

В необходимых случаях потери напора между сечениями определяют из формулы (2.5).

Схема установки

Установка для исследования уравнения Бернулли (рис.2.1) состоит из центробежной насосной установки 2, подающей воду из ванны 1 прямоугольной формы в напорный бак 4; трубопровода переменного сечения 9, трубопровода с моделями местных сопротивлений (не схеме не показано); приемного бака 6 и пьезометров 7, закреплённых на щите 11. Напорный бак 4 снабжен переливной трубой 3, благодаря которой уровень воды в баке поддерживается постоянным. Уровни воды в баках определяются по показаниям водомерных стекол 5. Напорный бак 4 снабжен вентилем 8, к которому присоединён трубопровод 9. Для регулирования расхода воды в трубопроводе служит патрубок 10 со сливным краном на дне приемного бака 6, из которого вода вытекает в ванну 1. Измерение расхода осуществляется при помощи мерного сосуда и секундомера.

Рисунок 2.1. Схема лабораторной установки.

Рисунок 2.2. Диаграмма изменения удельных энергий для потоков жидкости

Для построения линий удельных энергий потока реальной жидкости используются численные значения пьезометрического и скоростного напоров из таблицы 2.2. Показания пьезометров дают возможность построить пьезометрическую линию ( ). Прибавляя в каждом сечении к отметкам пьезометрической линии скоростной напор можно построить линию скоростного напора. Построение этих линий желательно производить на миллиметровой бумаге, причем горизонтальный и вертикальный масштабы могут быть разными.

На рис.2.2. приведена диаграмма изменения удельных энергий для потоков идеальной и реальной жидкостей.

Пьезометрическая линия потока реальной жидкости вдоль оси трубопровода снижается, следовательно, не параллельна ей. Причем уклон линии тем дольше, чем больше скоростной напор в сечении. На конически сходящемся патрубке пьезометрическая линия снижается более резко, а на конически расходящемся также резко возрастает, меняя знак уклона линии на противоположный, за счет изменения скоростного напора.

Линия скоростного напора на участках трубопровода с постоянным сечением параллельна соответствующим отрезкам пьезометрической линии и вдоль оси трубопровода неизменно падает. Причем, она начинается не с напорной плоскости, немного ниже в связи с местной потерей энергии (напора) при входе в трубу.

Область потерь удельной энергии (напора) на преодоление гидравлических сопротивлений расположена над линией скоростного напора и ограничена напорной плоскостью.

Таким образом, графическая иллюстрация уравнения Бернулли дает наглядное представление о переходе одного вида удельной энергии в другой и, наоборот, о нарастании потерь удельной энергии вдоль трубопровода и позволяет количественно их оценить.

Порядок выполнения работы

По готовности лабораторной установки к работе выполняются следующие операции:

1) вычисляется расход объемным способом и по показаниям водомерного счётчика; термометром измеряется температура воды.

Результаты измерений и вычислений заносятся в таблицу 1.

2) измеряются расстояния от входа в трубопровод до сечений, показания пьезометров, трубок Пито, водомерных стекол и заносятся в таблицу 2.

3) вычисляются площади поперечных сечений трубопровода, средние скорости движения жидкости в сечениях, числа Рейнольдса, скоростные напоры, потери напора. Значения также заносятся в таблицу 2.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

Тема: Графическое представление и применение уравнения Бернулли.

Цель работы: по расчетным данным построить в масштабе линии пьезометрического и скоростного напоров.

Материалы и литература:

1. Методические указания;

2. Установка для исследования уравнения Бернулли;

Порядок выполнения работы

Определить:

1. объемный расход (Q);

2. кинематический коэффициент вязкости ( ) по формуле 2.2;

3. площадь сечения ( ) по формуле площади круга;

4. среднюю скорость ( ) в сечении из формулы 2.3;

5. число Рейнольдса (Re) по формуле 2.6;

6. скоростной напор ( ) по формуле ;

7. скоростной напор по показаниям трубки Пито;

8. сумму пьезометрического и скоростного напоров;

9. потери напора ( ) в сечении по формуле 2.7.

10. результаты вычислений занести в таблицу 1 и 3.

Построить пьезометрическую линию и линию скоростного напора по уравнению Бернулли для потоков реальной и идеальной жидкостей, отложив в каждом сечении и соответственно (см. п. 2.6.)

Исходные данные

Таблица 1. Экспериментальные и расчётные данные

Время наполнения сосуда t, c	Расход воды	Температура воды,	Коэффициент. кинематической вязкости (2.2)
10	0,003	20

Таблица 2. Параметры трубопровода

Таблица 3. Экспериментальные и расчётные данные

№ п/п	Наименование показателей	Сечения
№ п/п	Наименование показателей	1	2	3	4	5	6
1	Расстояние сечения от входа в трубу	0,5	0,19	0,66	0,19	0,23	0,33
2	Показания пьезометров	106	105	103	104	107	106
3	Диаметр сечения d, м
4	Площадь сечения
5	Средняя скорость в сечении
6	Число Рейнольдса
7	Коэффициент кинетической энергии
8	Скоростной напор в сечении (теоретический) ,
9	Скоростной напор в сечении (опытный) , м
10	Сумма удельных энергий (напоров) в сечении
11	Потери напора от входа в трубу до сечения , м
12	Уровень воды в напорном баке, м	0,15
13	Уровень воды в приемном баке, м	0,12

Контрольные вопросы

1. В чем заключается геометрический и энергетический (физический) смысл уравнений Бернулли для потоков идеальной и реальной жидкостей?

2. В чем заключаются отличительные признаки уравнения Бернулли для потоков идеальной и реальной жидкостей?

3. Каковы условия применимости уравнения Бернулли?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3

Тема: Определение режимов течения жидкости.

Цель работы: определит режимы течения жидкости. Определить значения критического числа Рейнольдса .

Материалы и литература:

1. Методические указания;

2. Лепешкин А.В. «Гидравлические пневмоколесные системы»: учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образование: издательский центр «Академия». 2006.

Методические указания

При течении жидкости возможны два режима движения: ламинарный и турбулентный. Наличие того или иного режима определяется соотношением сил, действующих в движущейся жидкости, а именно, сил инерции и сил внутреннего трения (вязкости). Если в потоке преобладают силы внутреннего трения, то устанавливается ламинарный режим. Отношение сил инерции к силам внутреннего трения характеризуется так называемым критерием режима движения (число Рейнольдса), который для напорного движения определяется соотношением

(1)

где d - внутренний диаметр трубы, м;

V - средняя скорость движения жидкости в потоке, м/с; ν - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с.

Каждому режиму движения соответствует определенная область значений числа Рейнольдса, не зависящая от свойств жидкости.

Смена режима (переход ламинарного режима в турбулентный или, наоборот, турбулентного в ламинарный) связана с критической величиной этого числа, обозначаемой Re_кр.

Для напорного движения в трубах нижнее критическое число Рейнольдса, соответствующее переходу турбулентного режима в ламинарный, следует считать равным 2300. Верхнее критическое число Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного режима в турбулентный, не является столь определенным, как нижнее, численное значение его можно принять приблизительно равным 4000. В интервале чисел Рейнольдса от 2300 до4000 возможно существование того или другого режимов.

Скорость движения жидкости, при которой происходит смена режимов, называется критической скоростью. В отличие от критического значения числа Рейнольдса, одинакового для потока любой жидкости в трубопроводе любого диаметра, критическая скорость для каждой жидкости имеет свое определенное значение, зависящее от диаметра трубопровода и коэффициента вязкости жидкости.

(2)

Характер движения частиц при ламинарном и турбулентном режимах различен. При ламинарном режиме частицы перемещаются как бы слоями по траекториям, параллельным между собой. При турбулентном режиме траектория движения частиц криволинейна и сложна. Частицы при движении сталкиваются между собой, и происходит довольно интенсивный процесс перемещения.

Движение частиц можно сделать видимым, окрасив поток.

Таким образом, установить режим движения можно двумя методами: определением числа Рейнольдса и визуальным методом, наблюдая за движением частиц в подкрашенном потоке.

Если краска, добавленная к потоку, располагается в нем в виде прямой струйки, отчетливо видной на всем протяжении, это свидетельствует о параллельном перемещении частиц жидкости, или о наличии ламинарного режима движения. При этом число Рейнольдса оказывается меньше критического значения, т. е. меньше 2300.

Если струйка краски размывается потоком и равномерно окрашивает его, это свидетельствует о движении частиц по сложным траекториям, что приводит к перемешиванию, или о наличии турбулентного режима. При этом число Рейнольдса - больше критического, т. е. больше 2300.

Описание установки.

Рисунок. Схема лабораторной установки.

Водопроводная вода поступает в напорный бак с некоторым избытком и протекает в стеклянную трубу внутренним диаметром 26 мм, а затем в приемный бак, откуда уходит в канализацию. В напорном баке установлена переливная воронка и успокаивающая перегородка. Над напорным баком расположен сосуд, из которого краска по тонкой трубке поступает в стеклянную трубку.

Исследование характера движения проводится при равномерном движении. Как известно, равномерным движением жидкости называют установившееся движение в трубопроводе, по длине которого средняя скорость движения остается постоянной.

Установившееся движение жидкости возможно в условиях постоянного напора и неизменных гидравлических сопротивлений системы. В этом случае объемный расход жидкости остается постоянным по времени. Постоянство напора в установке обеспечивается неизменным положением свободной поверхности в напорном баке, совпадающим с верхней кромкой переливной воронки. Напор в данном случае определяется вертикальным расстоянием от верхней кромки переливной воронки до выходного сечения трубопровода. Постоянство гидравлического сопротивления достигается неизменной степенью открытия во время опыта вентиля на конце трубопровода.

Для начала работы необходимо установку наполнить водой и создать движение жидкости в трубопроводе, что осуществляется некоторой степенью открытия запорного крана.

Изменение скорости движения в стеклянной трубке достигается различной степенью открытия вентиля.

Установив малую степень открытия крана (при большом сопротивлении), получаем малую скорость движения. Одновременно с визуальным наблюдением за потоком определяется критерий режима движения или число Рейнольдса. Для определения числа Рейнольдса необходимо измерить внутренний диаметр стеклянной трубки и вычислить среднюю скорость потока. Среднюю скорость жидкости находят из уравнения неразрывности потока. Для этого необходимо определить расход жидкости, например, объемным методом:

где V - объем, набранной в мерный сосуд, жидкости, м^З; τ - время, с.

Откуда:

где Q - объемный расход, или объем жидкости, протекающей через площадь живого сечения в единицу времени, м^З/с;

S - живое сечение потока, т.е. сечение, расположенное нормально к направлению движения, м²;

V - средняя скорость движения жидкости, м/с.

Если в начале опыта установлен ламинарный режим, то дальнейшие испытания проводят, увеличивая скорость движения (уменьшая сопротивление) до критического ее значения и далее до сверхкритического, при котором существует турбулентный режим движения. Число Рейнольдса определяют по уравнению (1). Кинематический коэффициент вязкости жидкости определяют по табл. 1 в зависимости от t. жидкости. Значение критической скорости находят по уравнению (2). Результаты испытаний и окончательные расчеты сводят в табл. 2.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3

Тема: Определение режимов течения жидкости.

Цель работы: определит режимы течения жидкости. Определить значения критического числа Рейнольдса .

Материалы и литература:

1. Методические указания;

Ход работы

1. По таблице 1 определить вариант

2. Выполнить схему и описать установку.

3. Выполнить расчеты в соответствии с вариантом.

4. Данные расчетов занести в таблицу.

5. Ответить на контрольные вопросы.

Таблица 1. Кинематический коэффициент вязкости жидкости

Вариант	1, 9, 17	2, 10, 18	3, 11, 19	4, 12, 20	5, 13, 21	6, 14, 22	7, 15, 23	8, 16, 24
t, °C	0	5	10	15	20	30	40	50
ν см²/с	0,0178	0.0152	0,0131	0.0114	0,0101	0.0081	0,0066	0,0055

Таблица 2 Сводная таблица расчетов

№ опыта	Результаты наблюдений					Вычисленные величины
№ опыта	Режим	d, м	V, м³	τ, с	t, °С	S, м²	Q, м³/с	V, м/с	ν. м²/с	Re	V_кр, м/с
1	Ламинарный	0,026	5,0	15	По варианту				По Варианту
2	Переходный	0,026	5,0	15
3	Турбулентный	0,026	5,0	15

Контрольные вопросы

1. Назовите режимы движения жидкости и укажите их характерные особенности.

2. Поясните, что такое критерий Рейнольдса, и назовите факторы, от которых он зависит.

3. Поясните, что такое критическое число Рейнольдса?

4. Поясните, каким образом при гидравлических расчётах определяют режим движения жидкости и, с какой целью?

5. Поясните, что такое критическая скорость, от каких факторов она зависит и как её определяют?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4-5

Тема: Решение задач на определение мощности, КПД и напора насосов различных видов.

Цель работы: закрепить умения решения задач на определение мощности и КПД насосов различных видов.

Материалы и литература:

1. Методические указания;

2. Счетная техника

Методические рекомендации

Центробежные насосы

Центробежные насосы являются одним из наиболее многочисленных представителей динамических насосов и широко распространены. Рабочим органом в центробежных насосах является насаженное на вал колесо, имеющее лопасти, заключенные между дисками, и расположенное внутри спиралевидного корпуса.

За счет вращения колеса создается центробежная сила, воздействующая на массу перекачиваемой среды, находящейся внутри колеса, и передает ей часть кинетической энергии, которая затем переходит в потенциальную энергию напора. Создаваемое при этом в колесе разрежение обеспечивает непрерывную подачу перекачиваемой среды их всасывающего патрубка. Важно отметить, что перед началом эксплуатации центробежный насос должен быть предварительно заполнен перекачиваемой средой, так как в противном случае всасывающей силы будет недостаточно для нормальной работы насоса.

Центробежный насос может иметь не один рабочий орган, а несколько. В таком случае насос называется многоступенчатым. Конструктивно он отличается тем, что на его валу расположено сразу несколько рабочих колес, и жидкость последовательно проходит через каждое из них. Многоступенчатый насос при той же производительности будет создавать больший напор в сравнении с аналогичным ему одноступенчатым насосом.

Производительность центробежного насоса может быть рассчитана следующим образом:

Q = b₁·(π·D₁-δ·Z)·c₁ = b₂·(π·D₂-δ·Z)·c₂

Q – производительность центробежного насоса, м³/с

b_1,2 – ширины прохода колеса на диаметрах D₁ и D₂, м

D_1,2 – внешний диаметр входного отверстия (1) и внешний диаметр колеса (2), м

δ – толщина лопаток, м

Z – число лопаток

C_1,2 – радиальные составляющие абсолютных скоростей на входе в колесо (1) и выходе из него (2), м/с

Расчет напора

Как было отмечено выше, напор не является геометрической характеристикой и не может отождествляться с высотой, на которую необходимо поднять перекачиваемую жидкость. Необходимое значение напора складывается из нескольких слагаемых, каждое из которых имеет свой физический смысл.

Общая формула расчета напора (диаметры всасывающего и нагнетающего патрубком приняты одинаковыми):

H = (p₂-p₁)/(ρ·g) + H_г + h_п

H – напор, м

p₁ – давление в заборной емкости, Па

p₂ – давление в приемной емкости, Па

ρ – плотность перекачиваемой среды, кг/м³

g – ускорение свободного падения, м/с²

H_г – геометрическая высота подъема перекачиваемой среды, м

h_п – суммарные потери напора, м

Первое из слагаемых формулы расчета напора представляет собой перепад давлений, который должен быть преодолен в процессе перекачивания жидкости. Возможны случаи, когда давления p₁ и p₂совпадают, при этом создаваемый насосом напор будет уходить на поднятие жидкости на определенную высоту и преодоление сопротивления.

Второе слагаемое отражает геометрическую высоту, на которую необходимо поднять перекачиваемую жидкость. Важно отметить, что при определении этой величины не учитывается геометрия напорного трубопровода, который может иметь несколько подъемов и спусков.

Третье слагаемое характеризует снижение создаваемого напора, зависящее от характеристик трубопровода, по которому перекачивается среда. Реальные трубопроводы неизбежно будут оказывать сопротивление току жидкости, на преодоление которого необходимо иметь запас величины напора. Общее сопротивление складывается из потерь на трение в трубопроводе и потерь в местных сопротивлениях, таких как повороты и отводы трубы, вентили, расширения и сужения прохода и т.д. Суммарные потери напора в трубопроводе рассчитываются по формуле:

H_об – суммарные потери напора, складывающиеся из потерь на трение в трубах H_т и потерь в местных сопротивлениях Н_мс

H_об = H_Т + H_МС = (λ·l)/d_э·[w²/(2·g)] + ∑ζ_МС·[w²/(2·g)] = ((λ·l)/d_э + ∑ζ_МС)·[w²/(2·g)]

λ – коэффициент трения

l – длинна трубопровода, м

d_Э – эквивалентный диаметр трубопровода, м

w – скорость потока, м/с

g – ускорение свободного падения, м/с²

w²/(2·g) – скоростной напор, м

∑ζ_МС – сумма всех коэффициентов местных сопротивлений

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4-5

Тема: Решение задач на определение мощности, КПД и напора насосов различных видов.

Цель работы: закрепить умения решения задач на определение мощности и КПД насосов различных видов .

Материалы и литература:

3. Методические указания;

4. Счетная техника

5. Лепешкин А.В. «Гидравлические пневмоколесные системы»: учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образование: издательский центр «Академия». 2006.

Задача №1

Плунжерный насос одинарного действия обеспечивает расход перекачиваемой среды 1 м³/ч. Диаметр плунжера составляет 10 см, а длинна хода – 24 см. Частота вращения рабочего вала составляет 40 об/мин.

Требуется найти объемный коэффициент полезного действия насоса.

Задача №2

Двухпоршневой насос двойного действия создает напор 160 м при перекачивании масла с плотностью 920 кг/м³. Диаметр поршня составляет 8 см, диаметр штока – 1 см, а длинна хода поршня равна 16 см. Частота вращения рабочего вала составляет 85 об/мин. Необходимо рассчитать необходимую мощность электродвигателя (КПД насоса и электродвигателя принять 0,95, а установочный коэффициент 1,1).

Задача №3

Трехпоршневой насос перекачивет жидкость с плотностью 1080 кг/м³ из открытой емкости в сосуд под давлением 1,6 бара с расходом 2,2 м³/час. Геометрическая высота подъема жидкости составляет 3,2 метра. Полезная мощность, расходуемая на перекачивание жидкости, составляет 4 кВт. Необходимо найти величину потери напора.

Задача №4

Реальная производительность винтового насоса составляет 1,6 м³/час. Геометрические характеристики насоса: эксцентриситет – 2 см; диаметр ротора – 7 см; шаг винтовой поверхности ротора – 14 см. Частота вращения ротора составляет 15 об/мин. Необходимо определить объемный коэффициент полезного действия насоса.

Задача №5

Необходимо рассчитать напор, расход и полезную мощность центробежного насоса, перекачивающего жидкость (маловязкая) с плотностью 1020 кг/м³ из резервуара с избыточным давлением 1,2 бара а резервуар с избыточным давлением 2,5 бара по заданному трубопроводу с диаметром трубы 20 см. Общая длинна трубопровода (суммарно с эквивалентной длинной местных сопротивлений) составляет 78 метров (принять коэффициент трения равным 0,032). Разность высот резервуаров составляет 8 метров.

Задача №6

Целесообразна ли перекачка воды центробежным насосом с производительностью 50 м³/час по трубопроводу 150х4,5 мм?

Задача №7

Определить коэффициент подачи шестеренчатого насоса. Геометрические характеристики насоса: площадь поперечного сечения пространства между зубьями шестерни 720 мм²; число зубьев 10; длинна зуба шестерни 38 мм. Частота вращения составляет 280 об/мин. Реальная подача шестеренчатого насоса составляет 1,8 м3/час.

Задача №8

Насос, имеющий КПД 0,78, перекачивает жидкость плотностью 1030 кг/м³ с расходом 132 м³/час. Создаваемый в трубопроводе напор равен 17,2 м. Насос приводится в действие электродвигателем с мощностью 9,5 кВт и КПД 0,95. Необходимо определить, удовлетворяет ли данный насос требованиям по пусковому моменту.

Задача №9

Центробежный насос перекачивает жидкость плотностью 1130 кг/м³ из открытого резервуара в реактор с рабочим давлением 1,5 бар с расходом 5,6 м³/час. Геометрическая разница высот составляет 12 м, причем реактор расположен ниже резервуара. Потери напора на трение в трубах и местные сопротивления составляет 32,6 м. Требуется определить полезную мощность насоса.

Задача №10

Определить предельное повышение расхода насоса, перекачивающего воду (плотность принять равной 1000 кг/м³) из открытого резервуара в другой открытый резервуар с расходом 24 м3/час. Геометрическая высота подъема жидкости составляет 5 м. Вода перекачивается по трубам 40х5 мм. Мощность электродвигателя составляет 1 кВт. Общий КПД установки принять равным 0,83. Общие потери напора на трение в трубах и в местных сопротивлениях составляет 9,7 м.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6

Тема: Расчет основных параметров гидродвигателей.

Цель работы: научиться производить расчет основных параметров гидродвигателей и осуществлять их выбор по найденным параметрам.

Материалы и литература:

1. Методические указания;

2. Счетная техника

Варианты заданий

Вариант	Параметры
Вариант	D, мм	b, мм	P_ном, кН	m, мм
1, 6, 11, 16	80	10	2,5	10
2, 7, 12, 17	100	20	4,5	20
3, 8, 13, 18	125	35	6,8	35
4, 9, 14, 19	90	15	3,5	15
5, 10, 15, 20	110	25	5,5	25

Методические рекомендации

Расчет гидравлического привода основан на условии равновесия поршня в рабочем цилиндре (рис. 1):

, (1.1)

где: P – тяговое усилие поршня, Н;

P_c – суммарные силы сопротивления перемещению, Н;

Р_с= Р_т+ Р_и + Р_Д (1.2)

где: P_T– сила трения в уплотнении поршня и штока, Н;

Р_и – сила инерции массы перемещаемых частей, разгоняемых при пуске, Н;

P_Д – сила на преодоление противодействия в противоположной полости, Н.

Рис. 1. Расчетная схема гидроцилиндра

Поршень должен развивать такое тяговое усилие Р, которое за вычетом сопротивлений должно преодолевать заданную полезную нагрузку.

Сила трения манжет о стенку цилиндра, Н (рис. 2)

, (1.3)

Где f – коэффициент трения манжеты о стенку цилиндра (принимается равным 0,15); D– диаметр цилиндра, см;

b– высота манжеты (длина прилегания манжеты к стенке цилиндра), см;

p– давление в рабочей полости цилиндра (0,5), МПа;

p_Д – давление вытесняемой жидкости (0,2–0,3 МПа).

Рис. 2. Схема к расчету силы трения в уплотнении поршня: 1 – цилиндр; 2 – манжеты уплотнительные; 3 – поршень

Силы трения, вычисленные по этой формуле для манжет по ГОСТ 6969-54, составляют (0,05–0,15) Р_ном. Для предварительных расчетов может быть принято

_ном (1.4)

Диаметр штока у гидравлических цилиндров – (0,2–0,7) D.

Для цилиндров с односторонним штоком потери на трение

_ном (1.5)

При расчете сил инерции полагают, что разгон перемещаемых частей происходит с ускорением a, нарастающим пропорционально времени t при коэффициенте пропорциональности к, т.е. a = к t. Следовательно:

Подставив вместо k его значение, получим

Откуда

Силы инерции, Н,

⁼ (1.6)

где m – масса перемещаемых частей, кг;

n – наибольшая скорость их движения, м/с (максимальная скорость перемещения, которую могут обеспечить гидроприводы, составляет 1–1,5 м/с);

t – продолжительность разгона, которая практически находится в пределах 0,05–5 с (меньше величины относятся к более легким перемещаемым частям и меньшим скоростям, большие – к тяжелым частям и большим скоростям).

Сила на преодоление противодавления в противоположной полости цилиндра, Н,

, (1.7)

где F – активная площадь поршня в противоположной полости цилиндра, см²; p_Д– давление вытесняемой жидкости, МПа.

Для предварительных расчетов можно принять

^ном, (1.8)

Подставит полученные значения величии P_T_, Р_и и P_Д, подсчитанный по формулам (1.5), (1.6), (1.8), в выражение (1.2).

Давление жидкости P в силовом цилиндре выбирают в зависимости от тягового усилия P. При меньших давлениях жидкости обеспечиваются более благоприятные условия для работы уплотнений, но при больших усилиях габариты гидроцилиндров получаются очень громоздкими. Исходя из этого, невысокие давления жидкости P=1,6 МПа применяют при тяговых усилиях P = 10000 – 20000 Н. Для тяговых усилий P = 50000 – 100000 Н давление жидкости повышают до 10 МПа.

Выбор гидроцилиндров осуществляем по двум параметрам – величине хода поршня, которая выбирается конструктивно в соответствии с кинематической схемой, и внутреннему диаметру, который определяется расчетом.

Диаметр цилиндра определяется по формуле:

, (1.9)

где p – давление рабочей жидкости, МПа;

K_p – поправочный коэффициент, учитывающий влияние потерь давления в линиях нагнетания и слива, а также трения в уплотнениях штока и поршня гидроцилиндра (Kp = 1,15…1,30);

P – тяговое усилие привода.

Расчетный диаметр цилиндра округляется в большую сторону. Далее определяем диаметр штока. Если давление рабочей жидкости p находится в пределах от 1,5 до 5,0 МПа, то диаметр штока найдем из соотношения d_ш/D = 0,5, а если давление рабочей жидкости свыше 5 МПа из соотношения d_ш/D = 0,7.

После определения величин D и d_ш выбираем гидроцилиндр по ГОСТ 6540–68, или по ОСТ 12.44.099–78.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7

Тема: Изучение устройства и принципа работы следящего гидропривода.

Цель работы: изучить устройство и принцип работы следящего гидропривода.

Материалы и литература:

1.Методические указания;

Методические указания

Двухкаскадные усилители

Для повышения чувствительности усилителя и обеспечения одновременно увеличения мощности выходного сигнала применяют двухкаскадные устройства, первой ступенью усиления которых является обычно усилитель типа сопло- заслонка, а второй - золотник. Принципиальная схема такого устройства показана на рис. 6. Междроссельная камера a этой схемы соединена с правой полостью основного распределительного золотника, плунжер 2 которого находится в равновесии под действием усилия пружины 4 и давления жидкости в этой камере. Жидкость постоянно подводится в штоковую полость b силового цилиндра, поршень которого при одновременной подаче жидкости в противоположную полость перемещается вследствие разности площадей поршня влево, и при соединении этой полости с баком - в правую сторону.

Рис. 6. Двухкаскадный усилитель типа сопло-заслонка:
1 - заслонка; 2 - плунжер; 3 - силовой цилиндр; 4 – пружина

На рис. 6. усилитель показана в нейтральном положении, в котором правая полость цилиндра 3 перекрыта. При смещении заслонки 1 равновесие сил, действующих на плунжер 2 золотника, нарушится, и он, смещаясь в соответствующую сторону, соединит правую полость силового цилиндра 3 либо с полостью питания (давление P_Н), либо с баком. Благодаря тому, что усилие, создаваемое давлением жидкости на плунжер 2 золотника, уравновешивается пружиной 4, перемещение распределительного золотника будет пропорционально перемещению заслонки (регулируемого дросселя), в результате чего достигается приближенная пропорциональность расхода жидкости через золотник и перемещения заслонки. Следовательно, в данном случае имеет место обратная связь по давлению.

Рис. 7. Двухступенчатая следящая система с обратной связью по давлению:
1 - пружина; 2 - плунжер; 3 - дроссель; 4 - клапан; 5 - заслонка

Схема применения этого распределительного устройства в следящей системе приведена на рис.8.7. Плунжер золотника 2 в этой схеме находится в равновесии под действием усилия пружины 1 и давления жидкости в камере a, которая соединена с линией питания через дроссель 3 и со сливом - через сверление b в штоке плунжера. Сопротивление последнего канала, а следовательно, и давление в камере a можно изменять смещением заслонки 5; при этом вследствие нарушения равновесия сил натяжения пружины и давления жидкости плунжер золотника будет следовать за заслонкой. Для повышения чувствительности давление в камере a обычно понижается с помощью клапана 4 или путем питания этой камеры от отдельного источника и, в частности, от сливной магистрали.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7

Тема: Изучение устройства и принципа работы следящего гидропривода.

Цель работы: изучить устройство и принцип работы следящего гидропривода.

Материалы и литература:

1. Методические указания;

Вариант

Вариант	Тип гидрораспределителя
1, 6, 11, 16	Гидроусилитель золотникового типа
2, 7, 12, 17	Гидроусилитель с соплом и заслонкой
3, 8, 13, 18	Гидроусилитель со струйной трубкой
4, 9, 14, 19	Двухкаскадные усилители
5, 10, 15, 20	Гидроусилитель с соплом и заслонкой

Ход работы

1. Описать назначение дросселирующего гидрораспределителя.

2. Для соответствующего варианта составить структурную схему работы гирораспределителя.

3. Описать принцип работы данного гирораспределителя.

4. Сформировать вывод.

5. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Для чего предназначены дросселирующие гидрораспределители;

2. Что называется открытием золотника;

3. Для чего предназначен следящий привод;

4. Какую обратную связь имеет представленный гидропривод

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8

Тема: Составление гидравлических схем.

Цель работы: получить практические навыки составления гидравлических схем.

Материалы и литература:

1. Методические указания;

3. ГОСТ 2.104-68. Основные надписи.

4. ГОСТ 2.701-84. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.

5. ГОСТ 2.747-68. Обозначения условные графические в схемах.

6. ГОСТ 2.704-68. Правила выполнения гидравлических и пневматических схем.

7. ГОСТ2.780-68 . Обозначения условно графические.

8. ГОСТ2.782-68. Обозначения условно графические. Машины гидравлические и пневматические

Методические указания

Общие требования по выполнению схем — по ГОСТ 2.701—84.

Гидравлические схемы в зависимости от их основного назначения разделяют на следующие типы:

- структурные,

- принципиальные,

- соединения.

Гидравлическая схема– это конструкторский документ, отражающий путь прохождения гидравлической жидкости, в результате которого жидкость совершает работу. Для того чтобы гидравлическая жидкость могла совершить работу, поток жидкости должен поступить в силовой привод или мотор, а затем вернуться в ёмкость.

Схема – графический конструкторский документ, на котором показаны в виде условных изображений или обозначений составные части изделия и связи между ними (ГОСТ 2.102-68).

При выполнении схемы используют следующие термины.

Элемент схемы – составная часть схемы, которая выполняет определенную функцию в изделии и не может быть разделена на части, имеющие самостоятельное функциональное назначение (форсунка, дроссель и т.п.).

Устройство – совокупность элементов, представляющих единую конструкцию. Устройство может не иметь в изделии определенного функционального назначения.

Функциональная группа – совокупность элементов, выполняющих в изделии определенную функцию и не объединенных в единую конструкцию.

Общие требования к выполнению схем

Комплектность схем (номенклатура) на изделие определяется разработчиком в зависимости от особенностей изделия. При этом количество типов схем на изделии определяется минимальным количеством, но в совокупности они должны содержать сведения в объеме, достаточном для проектирования, изготовления и ремонта изделия.

Форматы листовых схем выбирают в соответствии с требованиями, установленными в ГОСТ 2.301-68, при этом основные форматы являются предпочтительными. Выбранный формат должен обеспечивать компактное выполнение схемы, не нарушая ее наглядности и удобства пользования ею. Наименование схемы вписывают в графу 1 основной надписи (форма 1 по ГОСТ 2.104-68) после наименования изделия, для которого выполняется схема, шрифтом меньшего размера, чем наименование изделия.

Каждой схеме присваивают код, состоящий из буквы, определяющей вид схемы, и цифры, обозначающей тип схемы

ГОСТ 2.701-84 предусматривает следующие основные требования к выполнению схем:

· схема выполняется без соблюдения масштаба и действительного расположения составных частей изделия (установки);

· допускается располагать условные графически обозначения элементов на схеме в том же порядке, в котором они расположены в изделии, при условии, что это не затруднит чтение схемы;

· графические обозначения элементов и соединяющие их линии располагают на схеме таким образом, чтобы обеспечить наилучшее представление о структуре изделия и взаимодействия его составных частей.

Каждая схема сопровождается перечнем элементов, которые помещают на первом листе схемы или выполняют в виде самостоятельного документа.

На схеме допускается приводить различные технические данные, характер которых определяется видом и типом схемы. Эти сведения помещают около графических обозначений (по возможности справа или сверху) или на свободном поле схемы (по возможности над основной надписью). Около графических обозначений элементов и устройств помещают, в частности, номинальные значения их параметров, а на свободном поле – диаграммы, таблицы, текстовые указания

Линии

Линии связи должны состоять из вертикальных и горизонтальных отрезков с минимальным количеством изломов и взаимных пересечений. В отдельных случаях допускается применять наклонные отрезки линий связи, ограничивая, по возможности их длину

Перечень элементов

Каждая схема должна быть снабжена перечнем элементов. Его помещают на первом листе схемы (Приложение 1) или выполняют в виде самостоятельного документа (рис.4) в форме таблицы, заполненной сверху вниз.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7

Тема: Составление гидравлических схем.

Цель работы: получить практические навыки составления гидравлических схем.

Материалы и литература:

9. Методические указания;

10. Лепешкин А.В. «Гидравлические пневмоколесные системы»: учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образование: издательский центр «Академия». 2006.

11. ГОСТ 2.104-68. Основные надписи.

12. ГОСТ 2.701-84. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.

13. ГОСТ 2.747-68. Обозначения условные графические в схемах.

14. ГОСТ 2.704-68. Правила выполнения гидравлических и пневматических схем.

15. ГОСТ2.780-68 . Обозначения условно графические.

16. ГОСТ2.782-68. Обозначения условно графические. Машины гидравлические и пневматические

Ход работы

1. В соответствии с вариантом задания вычертить гидравлическую схему (руководствуясь правилами оформления принципиальных схем)

2. Позиции, данные в задании, заменить буквенно-цифровым позиционным обозначением

3. Схема выполняется на листе формата А4 с основной надписью (см. пример).

Индивидуальные графические задания

Вариант 1

1-клапан приемный; 2- фильтр; 3- насос; 4- газоотделитель; 5-камера поплавковая; 6- клапан электромагнитный; 7-измеритель объема; 8-индикатор; - рукав напорный; 10- кран раздаточный; 11- счетчик с датчиком импульсов.

Вариант 2

1-насос; 2-предохранительный гидроклапан; 3-технологический фильтр; 4-термометр; 5-манометр;6-дроссель;7-манометр дифференциальный;8-фильтр испытуемый; 9-обратный клапан; 10-расходомер; 11-теплообменный аппарат; 12-гидробак; 13-сапун

Вариант 3

1-задвижки шаровые; 2-электронасосный агрегат; 3-индикатор потока; 4-фильтр типа ФГк; 5-фильтр-водоотделитель типа ФВВ или ФВГ; 6-счетчик жидкости; 7-нейтрализатор статического электричества ИНСЭТ; 8-индикатор потока; 9- манометры; 10-клапан предохранительный; 11- дегазатор

Вариант 4

1 - задвижки шаровые; 2 - электронасосный агрегат; 3 - индикаторы потока; 4 - фильтр типа ФГк; 5 - фильтр-водоотделитель типа ФВВ или ФВГ; 6 - нейтрализатор статического электричества ИНСЭТ; 7 - индикатор потока; 8 - манометры

Вариант 5

1 - крановый узел запорной арматуры; 2 - патрубок с заглушкой; 3 - сливной патрубок с краном; 4 - воздухоспускной патрубок с краном; 5 - манометр; 6 - свеча с заглушкой; 7 - шлейф с арматурой; 8 - опрессовочный агрегат; 9 - передвижная емкость с водой

Вариант 6

1 – муфта; 2 – сетчатый фильтр; 3 – всасывающая линия; 4 – насос приемного; 5 – напорная линия; 6 – фильтр гидравлический; 8 – задвижки; 9 – направление движения авиаГСМ; 10 – линия слива; 11 – направление движения

Вариант 7

1 – барабан со шлангом; 2 – счетчик; 3 – задвижка; 4 – манометры; 5 – задвижка напорной; 6 – линия перепуска; 7 – система наполнения насоса; 8 –клапан линии перепуска; 9 – магистраль выдачи; 10 – задвижка; 11 – насос; 12 – фильтр- сепаратор 13 – фильтр гидравлический

Вариант 8

1- входной вентиль; 2- входной штуцер; 3- манометр; 4- фильтр тонкой очистки; 5- вентиль; 6- манометр; 7- вентиль ; 8- выходной вентиль; 9- выходной штуцер; 10- манометр; 11- фильтр тонкой очистки; 12- вентиль

Вариант 9

1 – гидромотор; 2 – бак с жидкостью; 3 – линии связи; 4 –манометр; 5 – фильтр; 6 – запорный клапан; 7 – гидроакумулятор; 8 – расходометр 9 – счетчик воды.

Вариант 10

1 – насос; 2 – клапан предохранительный; 3 – дроссель; 4 – гидромотор; 5 – клапан обратный; 6 – фильтр; 7 – радиатор; 8 – гидрораспределитель; 9 – гидроцилиндр 10 – бак открытый

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

Тема: Графическое представление и применение уравнения Бернулли.

Цель работы: по расчетным данным построить в масштабе линии пьезометрического и скоростного напоров.

Материалы и литература:

1. Методические указания;

2. Установка для исследования уравнения Бернулли;

Методические указания

Теоретическое введение

Основное отличие реальной жидкости от идеальной - наличие у первой вязкости.

( ) (2.1)

(2.2)

Важную роль в гидродинамике играет уравнение постоянство расхода:

(2.3)

Уравнение (2.3) является частным случаем закона сохранения вещества применительно к гидродинамике.

Для потока идеальной жидкости уравнение Бернулли имеет вид:

(2.4)

(2.5)

Из сравнения уравнений (2.4) и (2.5) можно выделить следующие отличительные признаки:

1. Вместо скорости отдельной частицы идеальной жидкости вводится средняя скорость потока ( ).

(2.6)

Если - режим ламинарный,

Если - режим турбулентный.

(2.7)

В необходимых случаях потери напора между сечениями определяют из формулы (2.5).

Схема установки

Рисунок 2.1. Схема лабораторной установки.

Построение линий удельных энергий

Графически уравнение Бернулли для потоков идеальной и реальной жидкостей можно представить в виде удельных энергий. Построение линий удельных энергий упростится, если совместить плоскость сравнения 0-0 с осью горизонтального трубопровода, что позволит исключить из уравнения ординаты Z.

Пьезометрические высоты потока идеальной жидкости находят как разность между уровнем воды в напорном баке и скоростным напором в сечениях при , т.к. линия скоростного напора совпадает с напорной плоскостью. Очевидно, что пьезометрическая, линия ( ) будет параллельна плоскости сравнения на участках трубопровода с постоянным поперечным сечением (см. рис.2.2.).

Рисунок 2.2. Диаграмма изменения удельных энергий для потоков жидкости

На рис.2.2. приведена диаграмма изменения удельных энергий для потоков идеальной и реальной жидкостей.

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2019-03-20; Просмотров: 1029; Нарушение авторского права страницы