Гидравлика

Все члены уравнения Бернулли в формуле (3.3) имеют линейную размерность и в энергетическом смысле представляют удельную энергию жидкости, т.е. энергию, отнесенную к единице веса жидкости.

Сумма всех трех членов+=H представляет собой полный напор в сечениях.

Графическая иллюстрация уравнения Бернулли показана на рис.3.3. Линия показывает изменение полных напоров в сечениях 1-1 и 2-2 и называется напорной линией или линией полного напора, линия - изменение пьезометрических напоров и называется пьезометрической линией.

3.3 Режимы движения жидкости

Силы вязкости в жидкости существенно влияют на величину и распределение скоростей движения жидкости, т.е. на характер ее движения.

Различают два режима движения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме жидкость движется отдельными слоями, пульсаций скоростей и давлений не наблюдается. Турбулентный режим характеризуется неупорядоченным, хаотичным движением частиц и интенсивным перемешиванием жидкости.

Критерием для определения режима движения является безразмерное число Рейнольдса. Для труб круглого сечения число Рейнольдса определяется по формуле

, (3.4)

где V - средняя скорость жидкости; - диаметр трубы;

- кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Экспериментально определено, что режим будет ламинарным, если .

- критическое число Рейнольдса, при котором происходит переход ламинарного режима в турбулентный. Для круглых труб принимают. Если число Рейнольдса находится в области , то режим считается переходным, а при - турбулентным.

Ламинарный режим возникает в тонких капиллярных трубках, во время движения очень вязких жидкостей, при фильтрации воды в слоях грунта и др. Движение маловязких жидкостей (вода, бензин, спирт) почти всегда происходит в турбулентном режиме.

4 Гидравлические сопротивления

4.1 Общие сведения о гидравлических потерях

Движение вязкой жидкости сопровождается потерями энергии.

Потери удельной энергии (напора), или гидравлические потери, зависят от формы, размеров русла, скорости течения и вязкости жидкости.

В большинстве случаев гидравлические потери пропорциональны скорости течения жидкости во второй степени или динамическому напору и определяются из выражения

(4.1)

где - коэффициент потерь; V-средняя скорость в сечении.

Потери в единицах давления

. (4.2)

Гидравлические потери энергии обычно разделяют на местные потери и потери на трение по длине

. (4.3)

Местные потери энергии обусловлены так называемыми местными гидравлическими сопротивлениями, т.е. местными изменениями формы и размеров русла, вызывающими деформацию потока. При протекании жидкости через местные сопротивления изменяется ее скорость и возникают вихри.

Примером местных сопротивлений может служить задвижка (рис.4.1).

Местные потери напора определяются по формуле Вейсбаха

, (4.4)

где V-средняя скорость в трубе;-коэффициент местного сопротивления.

Потери на трение по длине -это потери энергии, которые возникают в прямых трубах постоянного сечения и возрастают прямо пропорционально длине трубы (рис.4.2).

Рассматриваемые потери обусловлены внутренним трением жидкости в трубах. Потери напора при трении определяются по формуле Дарси-Вейсбаха

, (4.5)

где л - коэффициент гидравлического трения по длине или коэффициент Дарси; l - длина трубопровода; d -его диаметр; V - средняя скорость течения жидкости.

Для ламинарного режима движения жидкости в круглой трубе коэффициент определяется по теоретической формуле

, (4.6)

где число Рейнольдса.

При турбулентном режиме коэффициент зависит от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости(-эквивалентная шероховатость) и определяется по эмпирическим формулам.

В области гидравлически гладких труб 4000<Re<, т.е. при малых скоростях и числах Рейнольдса, коэффициент Дарси зависит только от числа Рейнольдса, и его определяют по формуле Блазиуса

. (4.7)

В переходной области () на коэффициент Дарси влияют шереховатость и число Рейнольдса. В этой области для вычислений используют формулу Альтшуля

. (4.8)

В квадратичной области сопротивления (области гидравлически шероховатых труб) коэффициент может быть найден по формуле Шифринсона

. (4.9)

4.2 Местные сопротивления

В местных гидравлических сопротивлениях, вследствие изменения конфигурации потока на коротких участках, изменяются скорости движения жидкости по величине и направлению, а также образуются вихри. Это и есть причиной местных потерь напора. Местными сопротивлениями являются расширения и сужения русла, поворот, диафрагма, вентиль, кран и т.п. (рис.4.3).

Потери напора в местных сопротивлениях определяются по формуле (4.4).

При турбулентном режиме коэффициент зависит в основном от вида местного сопротивления, а при ламинарном- от числа Рейнольдса. Для всех местных сопротивлений этот коэффициент определяется экспериментально .

Рассмотрим некоторые местные сопротивления.

Внезапное (резкое) расширение трубы (рис.4.4).

(4.10)

где и- скорость жидкости впереди и после внезапного сужения.

Формулу (4.9) можно записать в виде:

. (4.11)

При этом для скорости

. (4.13)

При выходе жидкости из трубы в резервуар возникает резкое расширение потока. В этом случае >>(площадь резервуара значительно больше площади трубы).Коэффициент потерь на выходе из трубы будет: =1.

Внезапное сужение трубы (рис 4.5) вызывает меньшие потери энергии, чем внезапное расширение. В этом случае потери обусловлены трением потока при входе в узкую трубу и потерями на вихреобразование. Потери напора при внезапном сужении трубы определяют по формуле

(4.13)

где определяется по формуле Идельчика

При входе жидкости из резервуара в трубу можно считать , а коэффициент сопротивления равным Поворот трубы (рис 4.6) или колено без закругления вызывает

где - коэффициент сопротивления колена, который определяется по справочным данным.

4.3 Гидравлический расчет простых трубопроводов

Трубопроводы разделяют на простые и сложные, длинные и короткие. При расчете коротких трубопроводов учитываются потери энергии в местных сопротивлениях, которые составляют более 8%, а при расчете длинных трубопроводов эти потери не учитываются.

Рассмотрим простой трубопровод постоянного сечения длинной l, диаметром d, содержащий ряд местных сопротивлений,

. (4.15)

Введем понятие потребного напора .

Потребным напором для простого трубопровода называется пьезометрический напор в начальном сечении, обеспечивающий заданный расход жидкости в трубопроводе:

, (4.16)

где -статический напор, величина которого не зависит от расхода жидкости; - потери напора в трубопроводе, которые зависят от расхода жидкости.

Потери напора в трубопроводе состоят из потерь на трение по длине и потерь в местных сопротивления . С учетом формул (4.4) и (4.5) можно записать

. (4.17)

Исходным для гидравлического расчета трубопровода является уравнение неразрывности (3.2).

Используя выражение (4.15), можно построить характеристику потребного напора (рис. 4.8), которая позволяет определить при любом значении расхода определить одну из неизвестных величин: расход Q, начальное давление или диаметр трубопровода d.

Гидропневмоприводы

5 Гидропривод

5.1 Принцип действия гидропривода

Гидроприводом называется совокупность гидромашин, гидроаппаратуры, гидролиний (трубопроводов) и вспомогательных устройств, предназначенных для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости. Гидропривод, содержащий объемные гидромашины, называется объемным.

Принцип действия объемного гидропривода основан на практической несжимаемости жидкости и передаче давления по закону Паскаля. Рассмотрим простейший гидропривод (рис.5.1).

Два цилиндра 1 и 2 заполнены жидкостью и соединены между собой трубопроводом. Поршень цилиндра 1 под действием силы перемещается вниз, вытесняя жидкость в цилиндр 2. Поршень цилиндра 2 при этом перемещается вверх и преодолевает силу . Если пренебречь потерями давления в системе, то по закону Паскаля давление в цилиндрах 1 и 2 будет одинаковым и равным

, (5.1)

где и - площади поршней цилиндров 1 и 2. Учитывая практическую несжимаемость жидкости, можно записать: или .

Так как величина является расходом жидкости Q, то условие передачи энергии можно представить в виде , где pQ - мощность потока жидкости; мощность, развиваемая поршнем цилиндра 2.

5.2 Основные элементы объемного гидропривода

Основными элементами объемного гидропривода являются:

1 Гидромашины - насосы и гидродвигатели. Насосы служат для подачи (перемещения) жидкости, гидродвигатели - для преобразования энергии подаваемой жидкости в механическую энергию рабочего органа.

2 Гидроаппаратура - это устройства управления гидроприводом, при помощи которых он регулируется, а также средства защиты от чрезмерно высоких давлений жидкости (дроссели, клапаны разного назначения и гидрораспределители).

3 Вспомогательные устройства: фильтры, теплообменники, (нагреватели и охладители жидкости), гидробаки и гидроаккумуляторы.

4 Гидролинии (трубопроводы): всасывающие, напорные, сливные, дренажные.

5 Контрольно-измерительные приборы: манометры, расходомеры, термометры и др.

Каждый объемный гидропривод содержит источник энергии. По виду источника энергии гидроприводы разделяют на три типа:

а) насосный гидропривод - гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель объемным насосом, входящим в состав этого гидропривода;

б) аккумуляторный гидропривод - рабочая жидкость подается в гидродвигатель от предварительно заряженного гидроаккумулятора;

в) магистральный гидропривод - в котором рабочая жидкость поступает в гидродвигатель из гидромагистрали.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы:

а) поступательного движения - с поступательным движением выходного звена гидродвигателя;

б) поворотного движения - с поворотным движением выходного звена гидродвигателя на угол меньше ;

в) вращательного движения - с вращательным движением выходного звена гидродвигателя.

Гидропривод, в котором скорость выходного звена гидродвигателя может изменяться по заданному закону, называется регулируемым. В случае отсутствия устройств для изменения скорости - нерегулируемым.

5.3 Область применения и рабочие жидкости гидропривода

Гидравлические приводы нашли широкое применение для осуществления движения рабочих органов различных машин. В машиностроении гидравлические приводы применяют в системах автоматического управления металлорежущих станков и автоматических линий, роботов-манипуляторов, прессов, технологических машин в металлургической, пищевой, химической, легкой и других отраслях промышленности.

Кроме этого, объемный гидропривод используют в сельскохозяйственных, строительных, транспортных машинах, угольных комбайнах, буровых установках, самолетах, военной технике и др.

Широкое использование гидропривода обусловлено его существенными преимуществами, к которым можно отнести безступенчатое регулирование скорости вращения или перемещения рабочего органа машины, возможность дистанционного регулирования, реверс исполнительного органа, надежность работы и др.

К основным недостаткам объемного гидропривода следует отнести утечки и нагрев жидкости, необходимость применения специальных устройств для поддержания постоянной температуры рабочей среды, более низкий к.п.д., чем у механических передач.

Рабочая жидкость в гидроприводе является одновременно носителем энергии и смазкой. При этом она подвергается воздействию высоких давлений, скоростей и температур. Кроме этого, жидкость должна быть нейтральной к материалам, быть пожаробезопасной и нетоксичной. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют минеральные масла и синтетические жидкости на кремнийорганической основе. В настоящее время в качестве рабочих жидкостей объемных гидроприводов, используемых в общем машиностроении, применяются минеральные масла: индустриальные ; турбинное; веретенное; АМГ - 10 и др.

Тип рабочей жидкости, применяемой в гидроприводе, определяется условиями его эксплуатации.

6 Насосы объемного гидропривода

6.1 Общая характеристика насосов и их классификация

Насосы - это гидравлические машины, в которых происходит преобразование механической энергии привода в гидравлическую энергию перекачиваемой жидкости.

Насосы подразделяются на два основных класса: динамические и объемные (рис.6.1).

Рисунок 6.1 - Классификация насосов

К динамическим насосам относятся центробежные, осевые, вихревые и др. Рабочим органом этих насосов, как правило, является вращающееся рабочее колесо (рис.6.2).

Страницы: 1, 2, 3