Основи гідравліки
Рідини і їх фізико-механічні властивості. Гідростатичний тиск і його властивості. Основи кінематики і динаміки рідини. Гідравлічний удар в трубах. Гідравлічний розрахунок напірних трубопроводів. Водопостачання та фільтрація, каналізація та гідромашини.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | курс лекций |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 13.09.2010 |
| Размер файла | 3,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
В динамічних гідромашинах силова взаємодія між ротором /робочим колесом/ і потоком рідини здійснюється в проточній камері, яка постійно сполучена зі входом потоку в гідромашину і виходом з неї. В результаті цієї взаємодії змінюється в основному кінетична енергія рідини.
В об'ємних гідромашинах взаємообмін енергією між потоком рідини і робочими органами машини відбувається при навперемінному заповненні робочої камери рідиною і витисненні її з робочої камери. При цій взаємодії відбувається в основному зміна потенціальної енергії рідини.
В даному курсі з динамічних гідромашин розглядаються відцентрові лопатеві насоси, які найбільше поширені в мережах водопостачання, а також основні типи об'ємних насосів і гідродвигунів.
9.1 Відцентрові, лопатеві
9.1.1 Принцип дії лопатевого насоса
Схема відцентрового лопатевого насоса показана на рис. 9.1 . Головною частиною насоса є робоче колесо 2, яке складається з фасонних дисків „а” і „б”, з'єднаних між собою профільованими лопатками „в”. Диски і лопатки утворюють проточну камеру насоса. Рідина з усмоктувального патрубка 1 надходить в центральну частину робочого колеса 2. Під дією відцентрових сил, що виникають в результаті силової дії лопаток колеса на рідину, вона переміщується в міжлопатевих каналах від цента до периферії і потрапляє в спіральний видвід 3, з якого подається в напірний патрубок 4 і далі в напірний трубопровід. Спіральний відвід призначений не тільки для уловлювання рідини, що виходить з робочого колеса, але і для часткового перетворення її кінетичної енергії в потенціальну енергію тиску.
Рис. 9.1. Схема відцентрового насосу консольного типу: 1 - підвід рідини; 2 - робоче колесо (а - ведучий диск, б - ведений диск, в - лопатки колеса); 3 - спіральний відвід; 4 - напірний патрубок; 5 - кромка спірального відводу
9.1.2 Основні технічні і експлуатаційні показники відцентрових насосів
Робота насоса характеризується його подачею, напором, споживаною потужністю і частотою обертання робочого колеса.
Подачею насоса називається витрата рідини через напірний (вихідний) патрубок. Так само як і витрата, подача може бути об'ємною (Q, м/с3) і масовою (М, кг/с).
Напір насоса Нн - різниця питомих енергій потоку при виході з насоса і на вході до нього, виражена в метрах стовпа рідини, яку подає насос:
|
. |
(9.1) |
В деяких випадках замість напору використовують тиск насоса:
|
. |
(9.2) |
Потужністю насоса (потужність, що споживає насос) називається енергія, яка підводиться до нього від приводного двигуна за одиницю часу:
|
, |
(9.3) |
де Мкр - крутний момент на валу насоса; щ - кутова швидкість обертання вала насоса.
Корисна потужність насоса Nk - це енергія, яку надає насос рідині, що проходить через нього за одиницю часу:
|
. |
(9.4) |
Відношення корисної потужності насоса до потужності, яку він споживає, називають коефіцієнтом корисної дії (ККД) насоса:
|
. |
(9.5) |
В свою чергу, ККД насоса є добутком трьох окремих ККД:
|
(9.6) |
де 0 - об'ємний ККД, який враховує об'ємні втрати потужності в насосі (втрати внаслідок витікання рідин через щілини) і дорівнює відношенню дійсної подачі насоса до його ідеальної подачі:
|
(9.7) |
г - гідравлічний ККД, який враховує гідравлічні втрати потужності в насосі (втрати на долання гідравлічних опорів в насосі) і рівний відношенню напору насоса Нн до суми напору насоса і втрат напору в насосі (теоретичний напір):
|
(9.8) |
м - механічний ККД - враховує механічні втрати потужності в насосі (в підшипниках, ущільненнях в механізмі насоса та ін.):
|
; |
(9.9) |
Nмех - механічні втрати потужності в насосі.
Кавітаційний запас
Відцентрові насоси забезпечують широку область подач і тисків (напорів), але за умовами роботи на стороні усмоктування для них існують обмеження, причиною яких є можливість виникнення в певних зонах усмоктую чого тракту насоса особливого явища - кавітації. Суть кавітації полягає в утворенні розривів суцільності потоку (каверн) в тих місцях, де тиск знижується до величини тиску насиченої пари (рнп) при даній температурі рідини. Таке зниження тиску призводить до миттєвого скипання рідини і утворення великої кількості бульбочок, заповнених парою та розчиненими в рідині газами. Ці бульбочки переносяться потоком рідини до зон підвищеного тиску, де також майже миттєво руйнуються внаслідок конденсації пари і розчинення газів. Останнє супроводжується мікроскопічними гідроударами великої потужності, які поступово руйнують робоче колесо насоса.
Для порівняння кавітаційних якостей насосів користуються так званим кавітаційним запасом, тобто перевищенням повної питомої енергії потоку рідини на вході в насос над енергією, що відповідає тиску насиченої пари рідини:
|
(9.10) |
де рвх - абсолютний тиск рідини на вході в насос; хвх - швидкість потоку рідини на вході в насос; рнп - тиск насиченої пари.
Кавітаційний запас, при якому починається кавітація, називається критичним. Стосовно до лопатевих насосів критичний кавітаційний запас підраховується за формулою С.С. Руднєва:
|
(9.11) |
в якій n - частота обертання робочого колеса, об/хв.; Q - подача насоса, м3/с; С - кавітаційний коефіцієнт швидкості, який залежить від конструктивних особливостей насоса (для поширених конструкцій відцентрових насосів С=800...1000).
Допустимий кавітаційний запас - це кавітаційний запас, який гарантує роботу насоса без змін основних технічних показників, що зв'язані з виникненням в насосі кавітації:
|
(9.12) |
Відцентрові лопатеві насоси мають обмеження стосовно висоти їх розташування над рівнем вільної поверхні рідини у витратному (приймальному) резервуарі, з якого насос усмоктує рідину. Ці обмеження обумовлені тиском на поверхні рідини в приймальному резервуарі, швидкістю потоку і величиною втрат енергії у всмоктуючому водопроводі, температурою і фізичними властивостями рідини, тобто факторами, від яких залежить виникнення кавітації на вході в насос.
Допустиму висоту всмоктування, при якій забезпечується робота насоса без зміни основних технічних показників, зв'язаних з виникненням явища кавітації, визначають за формулою:
|
(9.13) |
де р0 - абсолютний тиск на поверхні витратного резервуара; рнп - величина тиску насиченої пари рідини; hw.вс - сумарні втрати напору у всмоктуючому трубопроводі.
Характеристиками відцентрового насоса називають графічно зображені залежності напору, потужності, ККД, а інколи і допустимої висоти усмоктування, від подачі насоса при сталій частоті обертання робочого колеса. (рис.9.2).
Рис. 9.2
9.1.3 Насосна установка і її характеристика
Насос /група насосів/ з трубопроводами і відповідним комплектуючим обладнаням називається насосною установкою.
На рис 9.3 зображена напівконструктивна схема насосної установки. До насоса 7, який приводиться в дію електроприводом 6, вода надходить з приймального резервуара 1 по всмоктуючому трубопроводу 12. Насос нагнітає рідину в напірний резервуар 2 по напірному трубопроводу. На напірному трубопроводі є регулююча засувка 8, за допомогою якої можна змінювати подачу насоса. Інколи на напірній магістралі встановлюють зворотній клапан 10, який автоматично перекриває напірну магістраль при зупинці насоса. Якщо тиск в приймальному резервуарі відрізняється від атмосферного, або насос розташований нижче рівня рідини в приймальному резервуарі , то на всмоктуючому трубопроводі встановлюють монтажну засувку 11, яку перекривають при зупинці чи ремонті насоса. На вході у всмоктуючу магістраль передбачають запобіжну приймальну сітку 13 для запобігання засмічування насоса і зворотній клапан 14, що дає змогу залити насос і усмоктуючий трубопровід перед пуском. Робота насоса контролюється витратоміром 4, манометром 5, і мановакуумметром 9.
Рис. 9.3. Схема насосної установки: 1 - приймальний резервуар; 2 - напірний резервуар; 3 - напірний трубопровід; 4 - витратомір; 5 - манометр;
6 - електродвигун; 7 - насос; 8 - регулююча засувка; 9 - мановакуумметр;
10, 14 - зворотний клапан; 11 - монтажна засувка; 12 - всмоктувальний трубопровід; 13 - запобіжна приймальна сітка;
Різницю висот рівнів вільних поверхонь рідини в приймальному і напірному резервуарах називають геометричним напором НГ насосної установки.
Для того щоб подати рідину по трубопроводах установки з примального (витратного) резервуара до напірного, необхідно витратити енергію на підйом рідини на геометричну висоту НГ , на подолання різниці тисків р//-р/ в резервуарах і на подолання сумарних гідравлічних витрат Уhw усмоктуючого і напірного трубопроводів.
Таким чином потрібний напір установки
|
, |
(9.14) |
|
|
де - статичний напір установки. |
(9.15) |
Характеристикою насосної установки називають графічну залежність потрібного напору від витрати рідини в трубопроводі з насосною подачею.
Статичний напір Нст належить від витрати рідини в трубопроводі, а витрати в загальному випадку виражають формулою 6.2: .
Тому криву потрібного напору (характеристику насосної установки) будують за рівнянням
|
. |
(9.16) |
При турбулентному режимі течії гідравлічні втрати пропорційні квадрату витрати і
|
. |
(9.17) |
Для насосної установки, зображеної на (рис. 9.3), її характеристика показана на (рис. 9.4).
Рис. 9.4. Характеристика насосної установки
9.1.4 Робота насоса на мережу
Розрахунок трубопроводів(мережі) з насосною подачею виконують на основі найважливішого правила:
при усталеному русі рідини в трубопроводах напір Hн , що створює насос, завжди дорівнює потрібному напору, тобто
|
. |
(9.18) |
Графоаналітичний метод розрахунку трубопроводів полягає в побудові на одному графіку в однакових масштабах кривих потрібного напору Hпотр.=f1(Q) і характеристики насоса Hн =f2(Q) і визначенні точки їх перетину.
Точку перетину кривої потрібного напору і характеристики насоса (точка А на рис. 9.5) називають робочою точкою, так як вона визначає єдиний можливий режим роботи насоса на дану мережу (трубопровід) - його напір
HА=Hпотр; подачу QA , потужність NA і ККД зА насоса на цьому режимі.
Для того, щоб отримати іншу робочу точку, необхідно змінити або ступінь відкриття регулюючого пристрою (крана, дроселя, вентиля), тобто змінити криву потрібного напору (рис. 9.6), або частоту обертання вала насоса (рис. 9.7)
Рис. 9.6
Рис. 9.7
9.1.5 Послідовна і паралельна робота насосів на мережу
Спільне підключення насосів до однієї мережі використовують в тих випадках, коли потрібно суттєво збільшити продуктивність насосної установки або підвищити її напір. Можливі варіанти паралельного і послідовного з'єднання насосів. В першому варіанті збільшується подача рідини при майже незмінному напорі, в другому - напір потоку при незмінній подачі.
Паралельна робота насосів можлива при однакових напорах насосів в кожний даний момент. На рис. 9.8 зображені: схема паралельного з'єднання двох різних насосів, їх характеристики Hн=f(Q) (криві І і ІІ), а також характеристика насосної установки Hпотр =f(Q).
Для отримання робочої точки потрібно побудувати сумарну характеристику цих насосів НУ=f(Q) (криву І+ІІ), для чого складають абсциси (подачи Q) точок кривих І і ІІ при однакових ординатах (напорах НН). Точка А перетину кривих Hпотр =f(Q) і І+ІІ буде робочою точкою.
Абсциса точки А визначає сумарну подачу обох насосів, ордината її - напір, який розвивають насоси: . Горизонтальна пряма, проведена через точку А, перетинає характеристики обох насосів вточках В і С, які є робочими точками насосів І і ІІ.
Паралельне включення насосів виправдовує себе економічно лише тоді, коли характеристика насосної установки Hпотр.=f(Q) є положистою кривою.
Рис. 9.8. Визначення режиму роботи паралельно з'єднаних насосів
Послідовна робота застосовується в тих випадках, коли один насос не може забезпечити потрібного напору. При цьому подача насосів однакова, а загальний напір дорівнює сумі напорів обох насосів при одній і тій же подачі.
На рис 9.9 зображена схема послідовного включення двох різних насосів, характеристики яких показані кривими І і ІІ. Сумарну характеристику (крива І + ІІ ) насосів одержують складанням ординат кривих напорів І і ІІ обох насосів. Перетин сумарної характеристики насосів з характеристикою насосної установки дає робочу точку А. Положення її визначає сумарний напір HI+HII обох насосів при подачі Q. Якщо через точку А провести вертикальну пряму, то при перетині цієї кривої з кривими напорів І і ІІ отримаємо напори насосів HІ і HІІ.
Необхідно мати на увазі, що послідовне з'єднання кількох насосів менш економічне порівняно з використанням одного високонапірного насоса. Це пов'язане з тим, що загальний К.К.Д групи послідовно з'єднаних насосів дорівнює добутку К.К.Д кожного з насосів.
Рис. .9.9. Визначення режиму роботи послідовно з'єднаних насосів
9.2 Об'ємні гідромашини
9.2.1 Загальні зауваження
На відміну від динамічних гідромашин робоча камера об'ємної гідромашини являє собою обмежений простір усередині гідромашини, який періодично змінює свій об'єм за рахунок руху робочих органів(поршня, плунжера, пластини, зуба шестерні, тощо) і навперемінно сполучається з місцями входу потоку рідини в гідромашину і виходу з неї.
До особливостей об'ємних гідромашин можна віднести також практичну незалежність витрати рідини від напору (тиску), який реалізується в гідромашині.
На рис 9.10 для прикладу показана напірна характеристика об'ємного насоса при n=const. Деяке зменшення дійсної подачі Qд порівняно з теоретичною при підвищенні тиску пояснюється збільшенням об'ємних втрат.
Рис. 9.10.
За кількостю робочих камер гідромашини поділяють на однокамерні і багатокамерні, а за конструктивним виконання робочих органів (витискувачів) - на поршневі, шестеренні, пластинчасті, гвинтові тощо.
Якщо робочі камери переміщуються у просторі в результаті обертального руху робочих органів, то такі гідромашини називаються роторними (радіальні і аксіальні роторнопоршневі насоси і гідродвигуни, пластинчасті насоси і гідродвигуни).
Об'ємні насоси за характером руху вхідної ланки поділяють на обертові (вхідна ланка здійснює обертовий рух) і прямодіючі (зі зворотнь-поступальним рухом вхідної ланки).
Об'ємні гідро двигуни за характером руху вихідної ланки поділяють на силові гідроциліндри (вихідна ланка - шток - здійснює зворотно-поступальний рух відносно корпуса машини), моментні гідроциліндри (вихідна ланка - вал - здійснює зворотно-поворотний рух відносно корпуса машини) і гідромотори (вхідна ланка - вал - здійснює необмежений обертальний рух).
9.2.2 Основні параметри, що оцінюють роботу об'ємних гідромашин
Одним із основних параметрів об'ємних гідромашин, який визначає їх розмір, є робочий об'єм.
Робочим об'ємом називають об'єм нестисливої рідини, що подається насосом або приймається гідродвигуном при відсутності витікання за один оберт чи один хід ведучої ланки насоса або веденої ланки гідродвигуна. Фактично робочий об'єм - це теоретична подача насоса чи теоретична витрата рідини гідродвигуном, за один оберт витискувачів.
Робочий об'єм гідромашини і частота її робочих циклів визначають теоретичну подачу насоса Qн.т. або теоретичну витрату рідини через гідродвигун Qд.т.:
|
, |
(9.19) |
де n - частота обертання (частота робочих циклів) гідромашини;
|
- робочий об'єм гідромашини (м3/об; м3/хід); |
(9.20) |
q0 - об'єм однієї робочої камери, м3, см3;
z - кількість робочих камер в гідромашині.
Перетворення енергії в гідромашинах завжди супроводжується втратами, які оцінюються повним К.К.Д гідромашини:
тобто відношенням потужності на виході гідромашини до потужності, що подається на вхід до неї.
Так як і для відцентрових насосів, повний К.К.Д об'ємних гідромашин є добутком трьох частинних К.К.Д: об'ємного (), гідравлічного () і механічного ():
|
. |
У насосів звичайно бувають відомими вихідні гідравлічні параметри (тиск, подача), а у гідродвигунів - вхідні, що і обумовлює специфіку їх розрахункових залежностей.
Вихідну потужність насоса і вхідну потужність гідродвигуна визначають за формулами:
|
. |
(9.21)(9.22) |
в яких рн - тиск, що розвиває насос, Н/м2; Qн - подача, тобто об'єм рідини, який видає насос, м3/с; рд - тиск, що реалізує гідродвигун, Н/м2; Qд - витрата рідини гідродвигуном, м3/с.
Теоретична потужність
|
насоса: |
(9.23) |
|
|
двигуна: |
(9.24) |
В цих формулах: рн.т. - теоретичний тиск, тобто тиск, який би створював насос при відсутності в ньому втрат тиску Дрн; Qн.т. - теоретична подача, тобто подача насоса, яку б він мав при відсутності витікань ДQн; рд.т - теоретичний тиск гідродвигуна, тобто тиск, який би він реалізовував при відсутності в ньому втрат тиску Дрд; Qд.т. - теоретична витрата рідини гідродвигуном, тобто витрата при відсутності в ньому витікань ДQд
Вхідна потужність насоса:
|
(9.25) |
вихідна потужність гідродвигуна:
|
(9.26) |
де зн, зд - повні к.к.д. насоса і двигуна відповідно.
Частинні К.К.Д. об'ємних гідромашин визначають за такими формулами,
насос:
|
(9.27) |
гідродвигун:
|
(9.28) |
Вхідна потужність насоса і вихідна потужність гідро двигуна можуть бути розраховані за величиною крутного моменту на валу (роторні насоси і двигуни) або зусилля на штоку поршня (прямодіючі насоси і гідроциліндри)
|
(9.29) |
||
де Мн, Мд - крутні моменти на вході насоса і на виході гідродвигуна;
щн, щд - кутові швидкості вхідного валу насосу і вихідного валу двигуна;
Рн, Рд - зусилля на штоку насоса і штоку двигуна відповідно;
хн, хд - лінійні швидкості штоків насоса і двигуна.
9.2.3 Поршневі насоси, силові і моментні гідроциліндри
Поршневі гідромашини класифікують за такими ознаками : кратність дії, конструкція витискувача, кількість робочих циліндрів.
За кратністю дії машини поділяють на машини однократної (простої) і багатократної дії; за конструкцією витискувача - на поршневі, плунжерні, диференціальні, мембранні та інші; по кількості робочих циліндрів - на одно - і багатоциліндрові.
9.2.3.1 Поршневі насоси
Основними елементами поршневих насосів є робочий циліндр, поршень (плунжер) і розподільний пристрій, за допомогою якого циліндр навперемінно сполучається то з лінією усмоктування, то з лінією нагнітання.
На рис. 9.11 зображена принципова схема плунжерного насоса простої дії, на рис. 9.12 - схема поршневого насоса подвійної дії, а на рис. 9.13 - схема диференціального насоса.
У насоса простої дії при переміщенні поршня (плунжера) 2 вправо збільшується вільний об'єм циліндра 1 в результаті чого тиск в ньому падає і відкривається усмоктуючий клапан 3. Рідина з усмоктуючої лінії надходить до циліндра. При русі поршня (плунжера) вліво об'єм циліндра зменшується, тиск рідини підвищується, усмоктуючий клапан закривається, а напірний клапан 4 відкривається і рідина витискується в нагнітальну лінію. Таким чином, насос простої дії за один оберт кривошипного вала один раз усмоктує і один раз подає рідину в мережу. Робочий об'єм насоса простої дії визначається об'ємом циліндра між крайніми положеннями поршня (плунжера) в циліндрі:
|
(9.30) |
Тут D - діаметр поршня, h=2r - хід поршня; r - радіус кривошипа.
Рис. 9.11. Плунжерний насос однократної дії: 1 - циліндр; 2 - плунжер;
3 - усмоктувальний клапан; 4 - напірний клапан
Рис. 9.12. Схема насоса подвійної дії: 1 і 5 - напірний і усмоктуючий патрубки; 2 - поршень; 3 і 7 - напірні клапани; 4 і 6 - усмоктуючі клапани; 8 - циліндр
Рис. 9.13. Схема диференційного насосу:
1 - плунжерна камера; 2 - основна камера
Середня теоретична подача насоса визначається формулою
|
, |
(9.31) |
в якій n - частота обертання кривошипа, або число подвійних ходів штока поршня в одиницю часу.
В насосах подвійної дії при ході поршня вправо відкриваються всмоктуючий 6 і нагнітальний 3 клапани, при цьому інші два клапани 4 і 7 закриті. Через клапан 6 рідина всмоктується, а через клапан 3 подається в нагнітальний трубопровід в об'ємі . При ході поршня вліво через клапан 4 відбувається всмоктування рідини, а через клапан 7 - нагнітання. За цей хід в нагнітальну лінію поступає рідина в об'ємі .
Середня теоретична подача насоса подвійної дії складає
|
(9.32) |
В цій формулі D - діаметр поршня, d - діаметр штока; h - хід поршня; п - число подвійних ходів штока в одиницю часу.
Права частина 1 диференціального насоса - це циліндр плунжерного насоса одинарної дії, а ліва - особлива камера 2, яка з'єднана з напірним трубопроводом. Середня теоретична подача диференціального насосу визначається за формулою (9.32).
Характерними для поршневих насосів величинами є відношення ходу поршня до його діаметра і середня швидкість поршня . Приймають ; .
При розрахунках дійсних параметрів роботи поршневих насосів значення частинних к.к.д. вибирають в таких межах ; ; .
Основним недоліком поршневих насосів є нерівномірність подачі. Так, наприклад, для одноциліндрового насоса однократної дії коефіцієнт нерівномірності складає 314%. Для зменшення пульсацій подачі використовують багатоциліндрові насоси з непарним числом робочих циліндрів.
9.2.3.2 Силові гідроциліндри
Силові гідроциліндри належать до об'ємних гідродвигунів і призначені для надання поступального і зворотно-поступального руху вихідній ланці (штоку). Внаслідок своєї конструкційної простоти і експлуатаційних переваг вони є найпоширенішими гідродвигунами в сучасних машинах з об'ємним гідроприводом. Конструктивно гідроциліндри поділяють на поршневі, плунжерні і телескопічні, а за принципом дії - на одно- і двосторонньої дії (рис. 9.14).
Гідроциліндр односторонньої дії має шток з поршнем, або плунжер, які переміщуються силою тиску, рідини тільки в одну сторону. Зворотний хід штока чи плунжера здійснюється під силою зовнішньої або пружини
/рис 9.14 а,б,д,е,/. Гідроциліндр двосторонньої дії має поршень з одно- або двостороннім штоком./рис. 9.14 в,г/. Робоча рідина підводиться навперемінно в обидві робочі порожнини, і рух штока в прямому і зворотному напрямах здійснюються тиском рідини.
Порожнину гідроциліндра, в якій переміщується шток, називають штоковою, а порожнину , де шток відсутній - поршневою.
В залежності від того, яка порожнина гідроциліндра з'єднана в даний момент з напірною гідролінією, а яка з лінією зливу рідини, їх відповідно поділяють на робочу і зливну.
Без урахування втрат, зусилля, яке розвиває шток гідроциліндра визначають за співвідношенням
|
, |
(9.33) |
в якому рр - тиск рідини в порожнині ; Se - ефективна площа поршня.
Теоретична швидкість переміщення поршня визначається за формулою
|
(9.34) |
де Q - витрата робочої рідини, що находить гідроциліндр.
Рис. 9.14. Схеми гідроциліндрів: а, б - гідроциліндри односторонньої дії з одностороннім штоком; в - гідроциліндр двосторонньої дії з двостороннім штоком; г - гідроциліндр двосторонньої дії з двостороннім штоком; д - плунжерний; е - телескопічний гідроциліндр односторонньої дії
Ефективною площею поршня називають площу торця поршня, на яку діє тиск рідини. Так, з боку безштокової /поршневої / порожнини
|
, (D - діаметр поршня), |
з боку штокової
|
, (dшт - діаметр штока), |
Якщо врахувати об'ємні втрати , то дійсна швидкість переміщення поршня
|
. |
(9.35) |
Тоді витрата рідини робочою порожниною гідроциліндра
|
, |
(9.36) |
а витрата рідини, що витікає зі зливної порожнини
|
(9.37) |
Для точного визначення величини зусилля на штоці гідроциліндра з урахуванням тертя, опору зливної лінії та інших протидіючих сил потрібно виходити з рівняння рівномірного прямолінійного руху поршня. В такому випадку дійсне зусилля, що розвиває шток гідроциліндра, визначається рівнянням
|
, |
(9.38) |
де - механічний ККД гідроцилндра, - сумарна сила протидії з боку зливної порожнини.
В частинному випадку, коли враховується тертя і опір рідини в зливній порожнині, будемо мати
|
. |
(9.39) |
В цій формулі рзл - тиск рідини в зливній порожнині; Sезл - ефективна площа поршня з боку зливної порожнини.
Слід відзначити, що ККД гідроциліндрів визначається в основному механічними втратами енергії на тертя, оскільки .
9.2.3.3 Моментні гідроциліндри або поворотні гідродвигуни
Моментні гідроциліндри або поворотні гідродвигуни (рис.9.15) надають своїй вихідній ланці (валу) зворотно-поворотний рух необмежений кут.
В сучасній техніці поширені, в основному, пластинчасті поворотні гідродвигуни. Основними елементами пластинчастого поворотного гідро двигуна є корпус (циліндр) 3, в якому розміщена поворотна пластина 1, жорстко з'єднана з вихідним валом 2. Пластина ділить циліндр на дві порожнини, які по черзі з'єднуються з лінією високого тиску. Завдяки перепаду тисків в порожнинах циліндра пластина повертається разом з вихідним валом.
Рис. 9.15. Моментний гідроциліндр: 1 - поворотна пластина; 2 - вихідний вал; 3 - циліндр; р1 - тиск в робочому положенні; р2 - тиск у зливній порожнині
Витрату масла пластинчастим гідродвигуном з пластиною прямокутної форми визначають за формулою:
|
(9.40) |
де R - зовнішній радіус пластини, м; r - радіус втулки пластини, м; b - ширина пластини, м; щд - кутова швидкість вихідного вала, рад/с.
Корисний крутний момент на вихідному валу
|
|
(9.41) |
Тут рр - тиск масла в робочій порожнині; рзв - тиск масла у зливній порожнині.
Крутний момент, який можуть розвивати моментні гідро циліндри досягає 2000...3000 Н·м.
При розрахунках моментних гідроциліндрів можна приймати .
9.2.3.4 Шестеренчасті насоси і гідромотори
Характерною особливістю шестеренчастих гідромашин є простота їх конструкції, незначні габарити і вага. Частіше вони використовуються як насоси і менш як гідромотори.
Рис. 9.16. Шестеренчаста гідромашина: 1 - корпус; 2 - ведуча шестерня; 3 - ведена шестерня; 4 - торцеві диски; 5 - розвантажувальні канали
Найбільш поширений насос (рис.9.16) із зовнішнім зачепленням складається із корпуса 1, де з невеликими торцевими і радіальними зазорами знаходяться зачеплені дві однакові шестерні, з яких 2 - ведуча і 3 - ведена. При обертанні шестерень, коли зуби виходять із западин, відбувається всмоктування рідини. Далі рідина, яка заповнила западини, переноситься по зовнішній дузі в напрямі обертання шестерень. Коли зуби входять в западини, об'єм камери зменшується і рідина витискується в нагнітальну лінію.
Процес подачі рідини шестеренчастим насосом складний порівняно з насосом інших конструкцій. Тому розрахункові формули для визначення подачі насоса або витрати рідини гідромотором дають похибку від 5 до 30 %.
Середнє значення подачі насоса (витрата рідини гідромотором) підраховують за формулою:
|
(9.42) |
в якій n - частота обертання шестерні, b - ширина шестерні, m - модуль зачеплення, z - число зубів ведучої шестерні.
Ця формула для поширених конструкцій з кількістю зубів 8...15 і з точністю 2...3% характеризує середню розрахункову подачу (витрату).
Розрахункове значення крутного моменту знаходять за формулою:
|
(9.43) |
де - перепад тиску, що спрацьовується в гідромоторі.
Розрахункова потужність насоса чи гідромотора :
|
(9.44) |
У шестеренчастій гідромашині головну частину потужності, що втрачається, складають втрати на тертя. В середньому приймають
9.2.3.5 Пластинчасті насоси і гідромотори
Пластинчасті гідромашини - це роторні гідромашини з рухомими елементами у вигляді ротора, який здійснює обертальний рух, і пластин (шиберів), що обертаються разом з ротором і в той же час здійснюють зворотно-поступальний рух в пазах ротора.
Пластинчасті гідромашини бувають однократної і багатократної дії, одноступінчасті і багатоступінчасті.
Гідромашина (насос або гідромотор) однократної дії (рис.9.17) складається з ротора 1, вісь обертання якого, зміщена відносно осі статора 2 на величину ексцентриситету е. В пазах ротора встановлені пластини 3, які притискуються до внутрішньої поверхні статора або тиском рідини, або пружинами.
Для відокремлення усмоктуючої порожнини 5 від нагнітальної 6 в статорі передбачені ущільнювальні виступи І-ІІ і ІІІ-ІV. Ущільнення ротора з торців забезпечують диски 4.
Рис. 9.17. Пластинчаста гідромашина: 1 - ротор; 2 - статор; 3 - пластина (шибер); 4 -диски ущільнювальні; 5 - вхідна порожнина; 6 - вихідна порожнина
Кожна камера за повний оберт бере участь в нагнітанні рідини один раз, і тому такий насос (гідромотор) називають насосом однократної (простої) дії.
Середня теоретична подача (витрата) гідромашини буде:
|
(9.45) |
де b - ширина ротора; е - ексцентриситет; n - частота обертання ротора ; D - діаметр розточки корпуса статора (D=2r); z - число пластин; д - товщина пластини.
В практиці широко розповсюджені нерегульовані пластинчасті насоси двохкратної дії, перевагами яких є зрівноваженість радіальних сил тиску рідини на пластинчастий ротор, а також більший робочий об'єм і К.К.Д. Фактично насос двохкратної дії складається з двох насосів простої дії, які розміщені в одному корпусі.
Подача насоса двохкратної дії з радіальним розташуванням пластин визначається за формулою:
|
(9.46) |
в якій, r1 i r2 - більший і менший радіуси статора.
Пластинчасті гідромашини використовують також як гідромотори, для чого в насосах потрібно передбачити механізм притиску пластин до статора в момент пуску мотора.
Середній крутний момент на валу гідромотора простої (однократної) дії знаходять з формули:
|
(9.47) |
де - перепад тиску, який спрацьовується в гідромоторі, QT - теоретична витрата гідромотора, n - частота обертання; МТ - теоретичний крутний момент.
Відповідно, теоретичний (розрахунковий) крутний момент гідромотора двохкратної дії буде дорівнювати:
|
(9.48) |
9.2.3.6 Радіально - поршневі гідромашини
Роторна радіально - поршнева гідромашина являє собою гідромашину (насос або гідромотор), в якій осі поршнів чи плунжерів перпендикулярні до осі обертання ротора або складають з нею кути більші за 450
На рис. 9.18 зображена принципова схема радіально-поршневої гідромашини. Основними конструктивними елементами таких гідромашин є циліндровий блок 2, поршні 1, розподільний пристрій 3, напрямні обойми 4, канали 5 і 6, а також пристрій, за допомогою якого обойма 4 переміщується відносно осі блока 2 на величину ексцентриситету е. Роль розподільного пристрою виконує порожниста вісь з ущільнювальною перемичкою, на якій розміщений циліндричний блок, що обертається. При обертанні блока циліндри своїми каналами по черзі з'єднуються з каналами всмоктуваннями 5 і нагнітання 6, розташованими в порожнистій осі. Якщо , то поршні обкочуються по обоймі і здійснюють в циліндрах зворотно - поступальний рух. При роботі гідромашини в режимі насоса руху поршнів від центра обертання до периферії відповідає процес всмоктування рідини, а рух поршнів до центра - процесу нагнітання; При роботі гідромашини в режимі мотора робочий хід супроводжується переміщенням поршнів від центра, а витиснення рідини - рухом поршнів до центра. Зміна величини і знаку ексцентриситету дозволяє змінювати величину подачі і напрям потоку рідини.
Рис. 9.18. Схема радіально-поршневої гідромашини: 1 - поршні; 2 - циліндровий блок; 3 - розподільчий пристрій; 4 - напрямна обойма; 5, 6 - канали підведення та відведення робочої рідини
Середня теоретична подача гідромашини:
|
. |
(9.49) |
Тут d - діаметр поршня; h=2e - хід поршня, який дорівнює подвійній величині ексцентриситету; z - число поршнів; n - частота обертання.
Середню теоретичну величину крутного моменту на валу радіального поршневого гідромотора визначають за формулою:
|
(9.50) |
де - перепад тиску, який спрацьовує мотор.
9.2.3.7 Роторні аксіально-поршневі гідромашини
Аксіальні роторно-поршневі гідромашини бувають з нахиленою шайбою (рис.9.19 а) і з нахиленим блоком циліндрів (рис.9.19 б). Вони складаються з циліндрового блоку 1, поршнів 2, розподільного пристрою 3, приводного валу 4 і пристрою для зміни кута б нахилу шайби або блока. Максимальне значення кута б=20…300.
Рис.9.19. Схеми аксіальних роторно-поршневих гідромашин: а - аксіальна роторно-поршнева гідромашина з похилою шайбою; б - аксіальна роторно-поршнева гідромашина з похилим циліндром; 1 - роторно-циліндровий блок; 2 - поршні; 3 - розподільчий пристрій; 4 - приводний вал; 5 - шатуни; 6 - похила шайба; 7, 8 - вікна, що з'єднують поршні з лініями високого і низького тиску; 9 - ведучий диск
При обертанні блока 1 поршні 2, зв'язані шатунами 5 з нахиленою шайбою 6 або ведучим диском 9, здійснюють зворотно-поступальний рух в циліндрах. При віддаленні від розподільного вузла 3 поршні здійснюють всмоктування (насос) або робочий хід (двигун), а при наближенні - нагнітання (насос) або робочий хід (двигун), а при наближенні - нагнітання (насос) чи холостий хід (двигун). Підвід рідини до циліндрів і відвід від них здійснюється через отвори в торці циліндрового блока, які по черзі з'єднуються з розподільними серповидними вікнами 7 і 8, що є в розподільнику 3.
Зміною кута б можна регулювати не тільки подачу, а і напрям потоку рідини в гідромашині.
Середня розрахункова подача (витрата) гідромашини
|
, |
(9.51) |
де d - діаметр циліндричної камери (поршня); Dб - діаметр кола на блоці, де розташовані осі циліндрів; z - число циліндрів; n - частота обертання вала машини.
При подачі рідини під тиском в циліндри блока машина буде працювати в режимі гідромотора. Середній крутний момент на вихідному валу розраховують за формулою
|
, |
(9.52) |
в якій - перепад тиску, що спрацьовується в гідромашині.
Подобные документы
Характеристика трубопровідних мереж з насосною подачею рідини. Одержання рівняння напору насосу для мережі. Гідравлічний розрахунок трубопровідної мережі. Уточнення швидкостей течії рідини у трубопроводах. Вибір типу насосу та визначення його напору.
курсовая работа [780,5 K], добавлен 28.07.2011Коротка геолого-промислова характеристика родовища. Гідравлічний розрахунок трубопроводів при русі газу, однорідної рідини, водонафтових і газорідинних сумішей. Технологічний розрахунок сепараторів для підготовки нафто-газопромислової продукції.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 07.08.2012Причини утворення та фізико-хімічні властивості водонафтових емульсій. Вибір ефективного типу деемульгатора та технології його використання. Хімічний, електричний і механічні методи руйнування нафтових емульсій. Фізико-хімічні основи знесолення нафти.
контрольная работа [39,1 K], добавлен 28.07.2013Спряження б'єфів при нерівномірному русі, і вимоги до його головних технічних характеристик. Гідравлічний розрахунок швидкотоку, багатосхідчатого перепаду колодязного типу, отворів малих мостів з урахуванням та без, а також обґрунтування витрат.
курсовая работа [355,3 K], добавлен 21.04.2015Побудова повздовжнього геологічного перерізу гірничого масиву. Фізико-механічні властивості порід та їх структура. Розрахунок стійкості породних оголень. Характеристика кріплення, засоби боротьби з гірничим тиском. Розрахунок міцності гірничого масиву.
курсовая работа [268,9 K], добавлен 23.10.2014Визначення добових, годинних і розрахункових витрат води, режиму роботи насосних станцій, об’єму резервуарів чистої води і обсягу баку водонапірної башти. Трасування магістральної водогінної мережі. Гідравлічний розрахунок магістральної водогінної мережі.
курсовая работа [171,2 K], добавлен 27.01.2011Визначення нормального й максимального припливів. Необхідний орієнтовний напір насоса. Розрахунок потрібного діаметра трубопроводу і його вибір. Визначення потужності електродвигуна й вибір його типу. Захист апаратури й насосів від гідравлічних ударів.
курсовая работа [298,4 K], добавлен 23.12.2010Основні фізіко-механічні властивості ґрунту. Водні, повітряні та теплові властивості та відповідні режими ґрунту. Стан і форми води в ґрунті, водний баланс. Склад ґрунтового повітря та його роль у ґрунтоутворенні, родючість ґрунту та розвиток рослин.
реферат [37,4 K], добавлен 03.03.2011Радіус зони проникнення фільтрату за час промивки свердловини. Вивчення проникності і ступеню забруднюючої дії промислової рідини на колектор. Оцінка забруднення привибійної зони пласта при визначенні скінефекта. Коефіцієнти відновлення проникності.
лабораторная работа [1,1 M], добавлен 14.05.2011Проектування процесу гідравлічного розриву пласта (ГРП) для підвищення продуктивності нафтових свердловин. Механізм здійснення ГРП, вимоги до матеріалів. Розрахунок параметрів, вибір обладнання. Розрахунок прогнозної технологічної ефективності процесу.
курсовая работа [409,1 K], добавлен 26.08.2012
