h - Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева
advertisement
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» Н. П. Пяткин, Н. И. Наумкин, В. Ф. Купряшкин, П. Н. Пяткин Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов Учебник Саранск 2013 УДК 631.3:621.22(075.8) Рецензенты: Чаткин М. Н., доктор технических наук, профессор, Ректор ФГОУ ДПО «Мордовский институт переподготовки кадров агробизнеса»; Котин А. В., доктор технических наук, профессор, директор института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва». Пяткин Н. П. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов: Учебник / Пяткин Н. П., Наумкин Н. И., Купряшкин В. Ф., Пяткин П. Н.; под общей редакцией Сенина П. В.; Мордов. гос. ун-т. – Саранск, 2013. – 266 с. Об авторах: Пяткин Н. П.- кандидат технических наук, профессор кафедры основ конструирования механизмов и машин ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва»; Наумкин Н. И.- доктор педагогических наук, заведующий кафедрой основ конструирования механизмов и машин ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва»; Купряшкин В. Ф.- кандидат технических наук, доцен кафедры основ конструирования механизмов и машин ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва»; Пяткин П. Н.- преподаватель кафедры основ конструирования механизмов и машин. В учебнике рассматриваются законы равновесия и движения жидкости, устройство, принципы действия, рабочий процесс и характеристики гидравлических машин. Представлены основные сведения о гидродинамических передачах и объемном гидравлическом приводе. Описаны основы мелиорации и механизации орошения. Освещены вопросы сельскохозяйственного водоснабжения. Даны основы применения гидропневмотранспорта. Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Механизация сельского хозяйства», «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции», «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК» направления «Агроинженерия». 2 ПРЕДИСЛОВИЕ Человечество на протяжении всей истории постоянно изучало свойства воды, систематически использовало ее для удовлетворения своих нужд, а именно: для орошения сельскохозяйственных угодий, водоснабжения и других хозяйственно-бытовых целей, в качестве технического средства для водного транспорта, для выработки электрической энергии и ее передачи на расстояние. Данное издание предназначено для подготовки специалистов по направлению 660300 «Агроинженерия», которые в производственной деятельности будут сталкиваться со всеми указанными аспектами использования различных жидкостей, а также применения и эксплуатации гидравлических машин и инженерных систем. Оно включает такие разделы, как гидростатика, гидродинамика, гидравлические машины, гидропривод, мелиорация и механизация орошения, сельскохозяйственное водоснабжение и гидропневмотранспорт. Каждый из перечисленных разделов посвящен, по существу, крупной самостоятельной отрасли науки. Изучение всех этих вопросов в одной дисциплине представляет определенную трудность вследствие исключительно краткого изложения материала. В то же время важность и значение рассматриваемой дисциплины резко возрастают. В последнее время в агропромышленном комплексе наблюдается быстрое развитие гидромеханизации сельскохозяйственных процессов с многократным увеличением использования разнообразных по назначению и номенклатуре гидравлических машин и систем. Исключительно важное значение имеют вопросы инженерного использования и охраны водных ресурсов страны. Важность их для инженеров агропромышленной отрасли становится особо очевидна, если учесть, что более половины объема воды, потребляемой в народном хозяйстве, приходится на АПК. В данном издании использованы ГОСТы, унифицирующие технологию, классификацию, технические условия, обозначения типоразмеров и номенклатуру гидромашин, насосов, гидроприводов. Опираясь на предлагаемый учебник, студенты смогут самостоятельно изучить вопросы гидравлики и гидромеханизации сельскохозяйственных процессов, поэтому в нее включены теоретические сведения и вопросы для самоконтроля. 3 ВВЕДЕНИЕ Гидравлика — наука, изучающая законы равновесия и механического движения жидкости, разрабатывающая методы применения этих законов для решения задач инженерной практики. Название «гидравлика» происходит от греческого hydor (хюдор) — вода и aulos (аулос) — труба, желоб, что значит течение воды по трубам. Она охватывает вопросы движения воды не только в трубах, но и в открытых руслах (каналах, реках), в гидротехнических сооружениях и различных гидравлических системах. Гидравлика опирается на такие науки, как высшая математика, физика, теоретическая механика, начертательная геометрия и в некоторой степени сопротивление материалов. Главнейшие области применения гидравлики — мелиорация, водное хозяйство, гидротехника, водоснабжение, канализация, машиностроение и т. д. В Древнем Египте, Индии, Китае созданы грандиозные каналы и водохранилища. В Китае около 2 500 лет назад был проложен Великий канал длиной 1 800 км, соединяющий приустьевые участки крупных рек страны. В Риме за шесть веков до нашей эры создан водопровод, остатки которого сохранились и поныне. На территории бывшего СССР во многих местах были построены оросительные системы (например, Шахрудская в Средней Азии, которая действует и в настоящее время), водопроводы, каналы, плотины с водяными мельницами. В летописях и других источниках содержатся сведения о строительстве в России различных сооружений на реках, о развитии водных путей, о попытках создания механизмов, использующих энергию водного потока, осуществление которых невозможно без знаний гидравлики. В XVII в. была построена Вышневолоцкая водная система, которая через Волхов, Цну, Тверцу и Волгу с помощью каналов и шлюзов соединила Балтийское море с Каспийским. Гидравлика подразделяется на гидростатику, кинематику и гидродинамику. В гидростатике изучаются законы равновесия жидкости, в кинематике — связи между геометрическими характеристиками движения и временем (скорости и ускорения), в гидродинамике — законы движения жидкостей с учетом действующих сил. История развития теорий и вопросов, связанных с движением жидкости, в частности воды, начинается в глубокой древности. Одним из первых научных трудов по гидравлике считается трактат Архимеда «О плавающих телах» (287 — 212 гг. до н. э.), в котором впервые сформулирован гидравлический закон о равновесии тела, погруженного в жидкость. Хронологически за работами античных ученых следуют экспериментальные и теоретические труды Леонардо да Винчи (1452 — 1519 гг.), посвященные принципам действия гидравлического пресса, образованию водоворотных областей, отражению и интерференции волн, истечению жидкости через отверстия и водосливы, механизму движения воды в реках и каналах. Нидерландский математик-инженер Симон Стевин (1548 — 1620 гг.) в книге 4 «Начала гидростатики» определил величину гидростатического давления на плоскую фигуру. Итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564 — 1642 гг.) в трактате «Рассуждения о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся» показал, что гидравлическое сопротивление возрастает с увеличением скорости и плотности жидкой среды. К числу первых научных сочинений о движении жидкости относятся труды итальянских ученых, учеников Галилея — Кастелли и Торричелли. Бенедетто Кастелли (1577 — 1644 гг.) — преподаватель математики в Риме и Пизе — в ясной форме изложил принцип неразрывности потока воды. Математик и физик Эванджелиста Торричелли (1608— 1647 гг.) впервые провел опытные исследования движения жидкости, в результате которых предложил формулу для расчета скорости истечения жидкости из отверстий. Формулы, полученные Б. Кастелли и Э. Торричелли, являются основными в современной гидравлике и имеют важное практическое значение. Французский математик и физик Блез Паскаль (1623 - 1662 гг.) открыл закон о передаче давления внутри жидкости, на котором основано устройство гидравлических прессов, домкратов и других гидравлических машин. Он окончательно решил и обосновал вопрос о вакууме. Английский физик, механик, астроном и математик Исаак Ньютон (1643 — 1727 гг.) сформулировал гипотезу о внутреннем трении в жидкости и установил закон динамического подобия движущихся потоков, широко применяющийся в настоящее время при гидравлических исследованиях в лабораториях. Перечисленные труды касались только отдельных разделов гидравлики. Однако формирование гидравлики как самостоятельной науки стало возможным после работ, выполненных в Российской академии наук М. В. Ломоносовым (1711 — 1765 гг.), Д. Бернулли (1700 — 1782 гг.) и Л. Эйлером (1707-1783 гг.). М. В. Ломоносов в классическом труде «Рассуждения о твердости и жидкости тела» (1760 г.) сформулировал закон сохранения вещества и энергии, создал теоретическую базу для развития гидродинамики. Д. Бернулли в «Гидродинамике» (1738 г.) теоретически вывел общий закон установившегося движения жидкости, известный под названием уравнения Д. Бернулли. Л. Эйлер в сочинении «Общие принципы движения жидкости» (1755 г.) составил известные дифференциальные уравнения движения и относительного равновесия жидкости и таким образом создал классическую гидромеханику. Названные теоретические работы положили начало бурному развитию гидравлики, что в свою очередь привело к необходимости изыскания эмпирических расчетных формул, устанавливающих связь между скоростью движения жидкости и сопротивлениями, возникающими при ее движении, а также уравнений для определения коэффициентов, учитывающих вязкость реальной жидкости. Наиболее употребляемые формулы были получены: английским профессором О. Рейнольдсом (1883 г.) — для ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости; французским гидравликом А. Шези (1775 г.) — для расчета каналов; французским инженером А. Дарси (1849 г.) — для расчета трубопроводов; 5 немецким гидравликом Ю. Вейсбахом (1854 г.) — для определения местных потерь напора; русским профессором Н. П. Петровым (1882 г.) — для внутреннего трения в жидкости. Первыми книгами по гидравлике, изданными на русском языке, считаются «Карманная книжка для вычисления количества воды, протекающей через трубы, отверстия» А. Колмакова (1791 г.) и учебное пособие «Основания практической гидравлики, или О движении воды в различных случаях» П. П. Мельникова (1836 г.). Большой вклад в развитие гидравлики внесли русские ученые и инженеры: Н. Е. Жуковский (1847 — 1921 гг.) — создатель теории гидравлического удара; И. С. Громска (1851— 1889 гг.), разработавший теорию капиллярных явлений и заложивший основы винтовых потоков; Д. И. Менделеев (1843—1907 гг.), сделавший важные выводы о наличии двух режимов движения жидкости (ламинарного и турбулентного); Н. Н. Павловский (1886 — 1937 гг.) — создатель математической теории фильтрации воды в грунтах и первого в России «Гидравлического справочника»; Б. А. Бахметев (1880—1951 гг.), решивший в общем виде задачу об интегрировании дифференциального уравнения неравномерного движения в призматических руслах. Многое для развития современной гидравлики сделали советские ученые И. И. Агроскин, А. П. Ахутин, А. Д. Альтшуль, А. И. Богомолов, В. А. Большаков, С. В. Избаш, П. Г. Киселев, В. М. Макаве-ев, К. А. Михайлов, М. А. Мостков, Б; Б. Некрасов, М. М. Скиба, СМ. Слисский, С. А. Христианович, М. Д. Чертоусов, Р. Р. Чугаев, Д. В. Штеренлихт, А. П. Юфин и др. 6 1. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ 1.1. ПОНЯТИЕ «ЖИДКОСТЬ». ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ Общие сведения. В природе различают четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Жидкость занимает промежуточное положение между твердыми телами и газами. Свойства жидкостей при низкой температуре и высоком давлении ближе к свойствам твердых тел, а при высокой температуре и низком давлении — к свойствам газов. Жидкость, как и всякое жидкое тело, имеет молекулярное строение, т. е. состоит из молекул, объем пустот между которыми намного превосходит объем самих молекул. Причем в жидкостях и твердых телах объем пустот между молекулами меньше, а межмолекулярные силы больше, чем в газах. В связи с этим жидкости и твердые тела малосжимаемы по сравнению с газами. Однако ввиду бесконечной малости молекул и пустот между ними, по сравнению с рассматриваемыми объемами жидкости в гидравлике, можно представить жидкость в виде фиктивной сплошной среды, т. е. придать ей свойство непрерывности. Тогда процесс ее исследования упрощается. Жидкость — это физическое тело, обладающее легкой подвижностью частиц, текучестью и способное изменять форму под воздействием внешней силы. Жидкости разделяются на сжимаемые (газообразные) и несжимаемые, или весьма малосжимаемые (капельные). Несмотря на это, различные законы движения капельных жидкостей и газов при некоторых условиях можно считать одинаковыми. Например, при скорости течения газа, значительно меньшей скорости звука, можно сжимаемостью газа пренебречь, как это принимается в некоторых газопроводах, вентиляционных системах и системах кондиционирования воздуха. Для облегчения изучения законов движения жидкости введено понятие «идеальные и реальные жидкости». Идеальные — невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т. е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью в объеме под воздействием внешних сил. Реальные — вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т. е. наличием сил трения и касательных напряжений. Реальные жидкости могут быть ньютоновские и неньютоновские (бингемовские). В ньютоновских жидкостях при движении одного слоя жидкости относительно другого величина касательных напряжений (внутреннего трения) пропорциональна скорости сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Такая закономерность была установлена Ньютоном в 1686 году, 7 поэтому эти жидкости (вода, масло, бензин, керосин, глицерин и др.) называют ньютоновскими жидкостями. Неньютоновские жидкости не обладают большой подвижностью и отличаются от ньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений (внутреннего трения) в состоянии покоя. Причем величина их зависит от вида жидкости. Эта особенность была подмечена Ф. Н. Шведовым (1889 г.), а затем Бингемом (1916 г.), поэтому такие жидкости (битум, гидросмеси, глинистый раствор, коллоиды, нефтепродукты при температуре близкой к температуре застывания) получили и другое название — бингемовские. Силы, действующие в жидкости, принято делить на внутренние и внешние. Первые представляют собой силы взаимодействия частиц жидкости, вторые делятся на поверхностные и объемные. Поверхностные силы (сжатие, давление, растяжение, силы трения) приложены к поверхностям, ограничивающим объем жидкости. Объемные силы (сила тяжести, сила инерции, электромагнитная сила) распределяются по всему объему жидкости. Плотность и удельный вес жидкостей. Отношение массы жидкости М к ее объему W называется плотностью жидкости : (1.1) М /W . Удельным весом жидкости называется отношение веса жидкости G к ее объему W: (1.2) G /W . Если возьмем уравнение, выражающее второй закон Ньютона G = Мg , и разделим обе его части на объем W, то получим связь между плотностью и удельным весом: G M g , или g , W W (1.3) где g — ускорение свободного падения, м/с2. Сжимаемость. При сжатии реальные жидкости незначительно уменьшаются в объеме. Свойство жидкостей изменять объем при изменении W , давления характеризуется коэффициентом объемного сжатия представляющим собой относительное изменение объема жидкости W при изменении давления Р на единицу: W 1 W , W P (1.4) где W — первоначальный объем жидкости, м3; W— изменение объема при возрастании давления на величину Р,м3. Модулем объемной упругости жидкости Е0 называется величина, обратная коэффициенту объемного сжатия: Е0 = 1/ W . Для воды при 8 атмосферном давлении он составляет около 2 000 МПа. Параметры жидкостей при температуре 20 °С Параметр Жидкость γ, Н/м' ρ, кг/м8 Автомобильный бензин 6990...7470 712...761 Морская вода 10010...10090 1002... 1029 Пресная вода 9790 998 Дизельное топливо 8150...8450 831...861 Керосин 7770...8240 792...840 АК-11 масло 9070...9120 925...930 Компрессорное масло 8820...9060 899...Э24 Креозотное масло 10200... 10800 1040...1100 Трансформаторное масло 8700 887 Нефть 8340...9320 850...950 Ртуть 132900 13547 Этиловый безводный спирт 7740 789 При повышении давления на 0,10 МПа объем воды уменьшается всего на 1/20 000 от первоначального объема. Коэффициент объемного сжатия для других капельных жидкостей имеет такой же порядок, поэтому в большинстве случаев их сжимаемостью можно пренебречь. Температурное расширение. Это свойство жидкостей изменять объем t , характеризуется коэффициентом температурного расширения представляющим собой относительное изменение объема жидкости W при изменении температуры t на 1 °С и постоянном давлении: t 1 W , W P (1.5) Коэффициент температурного расширения βt при t = 20°С и давлении 105 Па: для воды 0,00015° С-1 для спирта 0,00110° С-1 для нефти 0,00060° С-1 для ртути 0,00018° С-1 В реальных условиях жидкости подвержены сравнительно небольшим колебаниям температуры и давления, поэтому объемные изменения будут незначительными. Вязкость — это способность жидкости оказывать сопротивление 9 скольжению одного слоя относительно другого. Силы, возникающие при скольжении слоев, называют силами внутреннего трения или силами вязкости. Появление их обусловлено наличием межмолекулярных связей между движущимися слоями. Вязкость характеризует степень подвижности частиц жидкости или текучести. Согласно гипотезе, высказанной впервые И. Ньютоном в 1686 г., а затем экспериментально обоснованной профессором Н. П. Петровым в 1863 г., силы внутреннего трения, возникающие между соседними движущимися слоями жидкости, прямо пропорциональны градиенту скорости, площади трущихся слоев и зависят от свойств жидкости, т. е. Т S S dU , dy (1.6) где Т — сила трения; — касательные напряжения; S — площадь поверхности трущихся слоев; — коэффициент пропорциональности, называемый динамическим коэффициентом вязкости или просто динамической вязкостью жидкости, характеризующий вязкость жидкости; dU/dy — градиент скорости, или Т dU . S dy (1.7) Знак «плюс» или «минус» в формулах (1.6) и (1.7) принимается в зависимости от знака градиента скорости dU/dy. Из выражения (1.7) можно определить динамическую вязкость: dy . dU (1.8) В гидравлических расчетах часто используется кинематическая вязкость, равная отношению динамической вязкости к плотности жидкости; (1.9) / . Вязкость жидкостей зависит от температуры. С ее увеличением вязкость капельной жидкости уменьшается, а газов, наоборот, возрастает. Объясняется это различием природы вязкости в жидкостях и газах. Ниже приводятся значения v для воды при разной температуре t: t, 0C v.10-8,м 2/с 0 179 10 131 20 101 30 80 40 66 50 56 60 48 70 41 80 37 90 33 100 28 Поверхностное натяжение (капиллярность) — свойство, обусловленное силами взаимного притяжения, возникающими между частицами (молекулами) жидкости. Под действием этих сил поверхность жидкости как бы покрывается равномерно напряженной тонкой пленкой, стремящейся придать объему 10 жидкости форму с минимальной поверхностью. Силы поверхностного натяжения развивают молекулярное давление в жидкости, нормальное к ее поверхности. Влиянием поверхностного натяжения обычно пренебрегают. Однако при изучении потоков с малой глубиной, в капиллярных трубках некоторых измерительных приборов, при решении ряда задач на фильтрацию его необходимо учитывать, так как силой поверхностного натяжения объясняется капиллярное поднятие (при смачивании) или опускание (если нет смачивания) жидкости на высоту, определяемую по зависимости hкап 4 cos , gd (1.10) где — коэффициент поверхностного натяжения (при t = 20 0С и контакте с воздухом равен: для воды 0,081 Н/м, для бензина 0,021, для ртути 0,541, для смазочных масел 0,035...0,038 Н/м); — угол между касательной к свободной поверхности в точке пересечения со стенкой и самой стенкой капилляра (для воды и стекла = 0°, для ртути и стекла 50°); d — диаметр капилляра, м. При температуре 20 °С в трубке диаметром d высота капиллярного поднятия для воды, спирта и ртути соответственно равна 30/d, 10/d и 10,15/d. 1.2. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ И ЕГО СВОЙСТВА Общие сведения. Раздел гидравлики, рассматривающий законы равновесия жидкости и их практические приложения, называется гидростатикой. Рассмотрим некоторый объем жидкости, находящейся в равновесии (рис. 1.1). Мысленно разделим его плоскостью A — В на две части и удалим верхнюю из них, заменив ее действие суммарной силой гидростатического давления Р, эквивалентной действию верхней отброшенной части на нижнюю. Если эту гидростатическую силу Р равномерно распределить по площади со, то получим среднее гидростатическое давление на площадь : hкап 4 cos , gd (1.10) где — коэффициент поверхностного натяжения (при t = 20 °С и контакте с воздухом равен: для воды 0,081 Н/м, для бензина 0,021, для ртути 0,541, для смазочных масел 0,035...0,038 Н/м); — угол между касательной к свободной поверхности в точке пересечения со стенкой и самой стенкой капилляра (для воды и стекла = 0°, для ртути и стекла 50°); d — диаметр капилляра, м. При температуре 20 °С в трубке диаметром d высота капиллярного 11 поднятия для воды, спирта и ртути соответственно равна 30/d, 10/d и 10,15/d. 1.2. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ И ЕГО СВОЙСТВА Общие сведения. Раздел гидравлики, рассматривающий законы равновесия жидкости и их практические приложения, называется гидростатикой. Рассмотрим некоторый объем жидкости, находящейся в равновесии (рис. 1.1). Мысленно разделим его плоскостью А — В на две части и удалим верхнюю из них, заменив ее действие суммарной силой гидростатического давления Р, эквивалентной действию верхней отброшенной части на нижнюю. Если эту гидростатическую силу Р равномерно распределить по площади , то получим среднее гидростатическое давление на площадь : (1.11) Рср Р / . Выделим на плоскости А—В элементарную площадку , на которую будет приходиться некоторая сила ΔР. Если уменьшать площадку Δω таким образом, чтобы ее площадь стремилась к нулю, то предел отношения ΔР к будет называться гидростатическим давлением в данной точке С: Р lim 0 P . (1.12) Гидростатическое давление характеризуется тремя основными свойствами. Первое свойство. Гидростатическое давление направлено всегда по внутренней нормали к поверхности, на которую оно действует. Рассмотрим силу гидростатического давления Р, приложенную в точке С под углом к поверхности А— В объема жидкости, находящейся в покое (рис. 1.2). Тогда эту силу можно разложить на две составляющие: нормальную Рn и касательную Рτ к поверхности А — В. Касательная составляющая — это равнодействующая сил трения, приходящихся на выделенную поверхность вокруг точки С. Но так как жидкость находятся б покое, то силы трения отсутствуют, т. е. Рτ = 0. Рис 1.1. К определению понятия среднего гидростатического давления Рис 1.2. Схема к доказательству первого свойства гидростатического давления 12 Следовательно, сила гидростатического давления Р в точке С действует лишь в направлении силы Рn, т. е. нормально к поверхности А—В, причем направлена ока только по внутренней нормали. При предположении направления силы гидростатического давления по внешней нормали возникнут растягивающие усилия, что приведет жидкость в движение, а это противоречит условию. Таким образом, сила гидростатического давления всегда сжимающая, т. е. направлена по внутренней нормали. Второе свойство. Гидростатическое давление в любой точке жидкости действует одинаково по всем направлениям (рис. 1.3). Рис. 1.3. Схема к доказательству второго свойства гидростатического давления Для доказательства этого свойства выделим в жидкости, находящейся в равновесии, частицу в форме треугольной призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника А — В — С. Заменим действие жидкости вне призмы на ее боковые грани (вертикальную А — В, горизонтальную В — С и наклонную под любым углом α А — С) гидростатическим давлением соответственно Рх, Pz, Ре. Кроме этих сил, на призму действует сила тяжести dG, равная весу призмы dzdx/2. Так как частица жидкости находится в равновесии, в покое, то сумма проекций всех сил, приложенных к ней, на любое направление равна нулю, т.е. x 0; Px dz Pe de sin 0; z 0; Pz dx Pe de cos dzdx / 2 0. (1.13) Подставив dz = de sin и dx = de cos в уравнения (1.13), получим Px Pe и Pz Pe dz / 2. (1.14) Если теперь грани призмы будут бесконечно уменьшаться и в пределе превратятся в точку, то мы получим гидростатическое давление в одной и той же точке, но в разных направлениях, т. е. px pz pe . (1.15) Следовательно, гидростатическое давление на наклонную грань ре одинаково по величине с гидростатическим давлением на вертикальную и горизонтальную грани. Так как угол наклона грани взят произвольно, то 13 можно утверждать, что гидростатическое давление в любой точке жидкости действует одинаково по всем направлениям. Третье свойство. Гидростатическое давление в точке зависит только от ее координат в пространстве, т. е. (1.16) р f ( x, y, z ). Это свойство не требует специального доказательства, так как очевидно, что по мере увеличения заглубления точки под уровень давление в ней будет возрастать и, наоборот, по мере уменьшения заглубления — снижаться. 1.3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ ЖИДКОСТИ (УРАВНЕНИЯ ЭЙЛЕРА) Выделим в жидкости, находящейся в равновесии, объем бесконечно малой величины в виде параллелепипеда с ребрами dx, dy и dz (рис. 1.4). Заменим действие жидкости вне параллелепипеда на его грани соответствующим гидростатическим давлением. Рис. 1.4. К выводу уравнений Эйлера Составим сумму проекций всех внешних сил на координатные оси, рассматривая прежде всего проекции всех сил на ось ОХ. Предположим, что гидростатическое давление в точке А с координатами х, у, z будет р, проекции ускорения объемных сил в той же точке X, Y, Z и плотность . Тогда гидростатическое давление в точке В, лежащей на линии A— В на расстоянии dx вправо от точки А, изменится на dp и составит: p1 f x dx, y, z f x, y, z где df x, y, z P dx p dx, x x P частный дифференциал, взятый по координате х. x Тогда сила давления на левую грань (1.17) параллелепипеда равна 14 гидростатическому давлению в одной из точек этой грани (в данном случае в точке А), умноженному на площадь грани: (1.18) P pdydz, а на правую грань P P1 p dx dydz. x (1.19) Сила давления, действующая на левую грань, направлена по оси ОХ, т. е. положительна; сила давления, действующая на правую грань, направлена в обратную сторону, т. е. отрицательна. Проекция объемных сил на ось ОХ (1.20) dxdydzX , где dxdydz — масса взятого параллелепипеда. Суммируя проекции всех действующих на параллелепипед сил на ось X и приравнивая эту сумму 0, получим: P pdydz p dx dydz dxdydzX 0, x (1.21) откуда X 1 P 0. x (1.22) По аналогии с этим можно получить подобные уравнения для осей У и Z. Тогда 1 P 0. x 1 P Y 0. y 1 P Z 0. z X (1.23) Эти дифференциальные уравнения равновесия жидкости вывел Л. Эйлер в 1755 г. 1.4. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ГИДРОСТАТИКИ И ЕГО ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ. ЗАКОН ПАСКАЛЯ Основные сведения. Для нахождения величины давления р по его трем частным производным по координатам умножим уравнения (1.23) соответственно на dx, dy, dz и сложим полученные произведения: 15 Р P P dx dy dz Xdx Ydy Zdz . x y z (1.24) Левая часть уравнения (1.24) представляет собой полный дифференциал dp, так как гидростатическое давление — это лишь функция координат х, у, z, т. е. (1.25) dp Xdx Ydy Zdz . Уравнение (1.25) называется основным уравнением гидростатического давления в дифференциальной форме. В правой части уравнения (1.25) выражение в скобках — полный дифференциал некоторой потенциальной функции П (х, у, z), частные производные которой по координатам х, у, z соответственно равны проекциям единичных массовых сил X 1 , Y 1 , Z 1 . Уравнение (1.25) можно переписать в следующем виде: П П П dp dx dy dz , x y z или dp dП. (1.26) (1.26’) Интегрируя уравнение (1.26'), получим: p П С, где С — произвольная постоянная интегрирования. Для поверхности равного давления из уравнения (1.25) при р = const, р ≠ 0 найдем dp = О, и тогда (1.27) Xdx Ydy Zdz 0. Это уравнение поверхности жидкости равного, или постоянного, давления. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи. Первый случай. На покоящуюся жидкость действует одна внешняя сила, сила тяжести, тогда X = О, У = О, Z = -g (направление ускорения свободного падения не совпадает с положительным направлением оси Z). В этом случае уравнение (1.27) имеет вид gdz 0, или Z C const , т. с. получаем поверхности равного давления, представляющие собой семейство горизонтальных плоскостей. Каждому значению С соответствует плоскость, точки которой имеют определенное постоянное значение давления. Свободная поверхность жидкости (для ограниченного объема) в данном случае — одна из плоскостей равного давления. Имеем в виду, что свободная поверхность — это поверхность на границе жидкой и газообразной сред. К этой поверхности будет приложено постоянное давление, равное атмосферному. Уравнение (1.25) для жидкости, находящейся под действием силы тяжести, запишется таким образом: dp gdz, интегрируя его, получим 16 p Z C const . g (1.28) Выражение (1.28) называют основным уравнением гидростатики. Если жидкость находится в закрытом сосуде, передвигающемся по вертикали с ускорением а, то проекции ускорений массовых сил в этом случае составят: X 0; Y 0; Z a g , а уравнение (1.25) будет иметь вид dp (a g )dz, интегрируя которое, получим p a g Z C при Z = 0; p = p0 = C. С учетом погружения точки от поверхности выражение на глубину h = - Z получим p p0 g a h. (1.29) При движении сосуда с жидкостью вниз с ускорением или вверх с замедлением ускорение а силы инерции будет уменьшать действие ускорения свободного падения g и давление в жидкости будет меньше, чем в сосуде с жидкостью, находящемся в состоянии покоя. При а = g жидкость станет невесомой, т. е. во всех точках жидкости р = pо. При движении сосуда с жидкостью вниз с замедлением, а вверх с ускорением величина а будет отрицательна и давление в жидкости будет больше, чем в не подвижном резервуаре, т. е. p p0 g a h. (1.30) (1.30) Второй случай. Поверхность равного давления может быть наклонной, например свободная поверхность бензина в железнодорожной цистерне, движущейся горизонтально с ускорением a (рис. 1.5). В этом случае единичная масса жидкости Р и с. 1.5. Железнодорожная цистерна, находится под действием силы движущаяся горизонтально с тяжести Z = -1∙g ускорением а горизонтального ускорения силы инерции X = -1 ∙ а (к цистерне приложена сила с ускорением а, а к жидкости — такая же по величине сила инерции с ускорением -а). Составляющие массовых сил в уравнении (1.27) получают значения X a; Y 0; Z g , а уравнение свободной поверхности примет вид 17 adx gdz 0, или dz a const . dx g (1.31) После интегрирования уравнения (1.31) получим ax gz C. При х = 0 и z = H ZH C = -gH, тогда a x. g (1.32) Из изложенного следует, что свободная поверхность цистерне представляет собой плоскость с углом наклона бензина в a g arcfg . Уравнение (1.25) в этом случае примет вид dp adx gdz . После интегрирования получим зависимость распределения давления в любой точке цистерны с бензином: p ax gz C, при х = 0 и z = 0 C = p0 = gH и тогда p gH ax gz g H z ax. (1.33) Из выражения (1.33) следует, что наибольшее давление будет в точке z = 0 с максимальным отрицательным значением х. Третий случай. Жидкость находится в открытом цилиндрическом сосуде, вращающемся вокруг его вертикальной оси с постоянной угловой скоростью ω (рис. 1.6). В этом случае на частицу жидкости массой m = 1 действуют сила тяжести G = -1g, параллельная оси z, и центробежная сила F 1 2 / r r / r 2 r , 2 перпендикулярная к оси z. Определим проекции составляющих равнодействующей массовых сил X, Y, Z на оси х, у, z: x 2 x; r y Y 2 r cosr , y 2 r 2 y; r Z g. X 2 r cosr , x 2 r (1.34) Подставив эти величины в уравнение (1.25), получим 18 dp 2 xdx 2 ydy gdz . Проинтегрировав это выражение, будем иметь 2 x2 2 y2 p gz C , 2 2 или 2r 2 p gz C , 2 2 2 r x y2. где Рис. 1.6. Цилиндрический сосуд, вращающийся относительно вертикальной оси OZ При x = y = z = 0, p = 0 и C = 0 2r 2 р gz . 2 Из уравнения (1.35) видно, что при вращении сосуда наибольшее давление будет в точках у его дна и на боковых стенках. Уравнение свободной поверхности можно получить при р = 0 из выражения (1.35): z 2r 2 2g , (1.36) так как 0. Кривая А — О — В — это парабола, а свободная поверхность жидкости — параболоид вращения. Такую же форму имеют и другие поверхности равного давления. Геометрическая интерпретация основного уравнения гидростатики. Рассмотрим уравнение (1.28) более подробно. Заменив в нем g и найдя постоянную интегрирования С р z0 при р = р0 и z = z0 (для точки В, лежащей па поверхности), получим основное уравнение гидростатики для точек A и В в несколько ином виде (рис. 1.7): z p z0 p0 , (1.37) или p p0 z0 z . (1.37’) 19 С учетом глубины погружения точки А под уровень свободной поверхности h = z0 - z получим наиболее часто встречающуюся запись основного уравнения гидростатики: (1.37’’) р р0 h. Плоскость гидростатического напора Рис. 1.7. Схема к основному уравнению гидростатики В формулах (1.37), (1.37’), (1.37") р полное, или абсолютное, давление, иногда обозначаемое как раbс; h — весовое давление, равное весу столба жидкости при единичной площади и высоте h; z и z0 — геометрические высоты расположения точек А и В относительно произвольной горизонтальной плоскости О — О, называемой плоскостью сравнения; р/ и р0 /γ — высоты, соответствующие гидростатическому давлению р и р0 в точках А и В. Величины z и р/γ в гидравлике часто называют геометрической и пьезометрической высотами или геометрическим и пьезометрическим напорами. Поскольку все слагаемые, входящие в уравнение (1.37), имеют линейную размерность, то и сумма высот z + р/γ будет также высотой Н с линейной размерностью. Высоту Н называют гидростатическим напором. А горизонтальную плоскость, удаленную от плоскости сравнения на величину гидростатического напора Н, именуют плоскостью гидростатического напора. Она расположена выше плоскости свободной поверхности на высоту pо/γ. Итак, для данного объема жидкости гидростатический напор относительно выбранной плоскости сравнения — величина постоянная: H z p z0 p0 const. (1.38) С энергетической точки зрения уравнение (1.38) представляет собой постоянную величину суммы удельной потенциальной энергии положения z и удельной потенциальной энергии давления р/γ во всех точках покоящейся жидкости относительно плоскости сравнения. 20 Из уравнения (1.37") следует, что гидростатическое давление р в любой точке жидкости и на любой глубине h зависит от внешнего давления р0 на свободной поверхности, т. е. всякое внешнее давление, действующее на свободную поверхность жидкости, находящейся в равновесии, передается внутрь во все точки жидкости без изменения. В этом заключается закон Паскаля, найденный опытным путем и имеющий большое практическое значение. Рассмотрим равновесие двух неоднородных жидкостей ( 1 2 ), покоящихся в сообщающихся сосудах (рис. 1.8): р01 1h1 po2 2 h2 , если pO1 pO2 pO , то 1h1 2 h2 , или при неоднородных h1 / h2 1 / 2 , т.е. жидкостях и одинаковом внешнем давлении в сообщающихся сосудах уровень жидкостей обратно пропорционален их удельному весу. Для однородных жидкостей свободная поверхность в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне h1 h2 . Рис. 1.8. К равновесию двух неоднородных жидкостей КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Дайте определение понятия «жидкость». 2. Какие виды покоя жидкости различают? 3. Что такое гидростатическое давление? В каких единицах оно измеряется? 4. Определите понятия абсолютного, избыточного и вакуумметрического давлений. 21 2. ДЕЙСТВИЕ СИЛЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПЛОСКИЕ И КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ 2.1. ИЗБЫТОЧНОЕ И ВАКУУММЕТРИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ Рассмотрим закрытый сосуд, заполненный жидкостью, на поверхности которой действует давление p0. При этом возможны три случая: а) ро > рат; б) ро = рат; в) ро < рат (рис. 2.1). Если в точке А к сосуду присоединить стеклянную трубку, открытую в атмосферу, то в такой трубке жидкость поднимется на некоторую высоту hM, которая будет больше (рис. 2.1, a, б) или меньше (рис. 2.1, в) уровня воды в сосуде. Такие трубки называют пьезометрами или манометрами. Высоту hM именуют пьезометрической или манометрической, а горизонтальную плоскость, проведенную на высоте пьезометрического напора, — плоскостью пьезометрического напора. Рис. 2.1. К определению манометрического давления Рассмотрим первый случай, когда р0 > paт. Определим высоту поднятия жидкости в правой трубке. С этой целью сначала запишем для точки А давление, действующее слева и справа: р0 h рат hМ , (2.1) а затем найдем hM: hM p0 p AT h p0 p AT h , (22) или с учетом (1.37") hM p0 h p AT p pат pизб. (2.2') 22 Превышение полного гидростатического давления над атмосферным называют избыточным или манометрическим давлением ризб. Если сосуд открыт, то давление на поверхности жидкости будет равно атмосферному (второй случай, когда р0 = paт. При этом зависимость (2.2') получает простое выражение: hм = h. Следовательно, избыточное, или манометрическое, давление ризб в любой точке жидкости характеризуется глубиной ее погружения, или глубина погружения точки hM характеризует избыточное, или манометрическое давление в ней. В инженерной практике часто давление в жидкости бывает меньше атмосферного (третий случай), т. е. р0 < рат. Тогда манометрическое давление будет отрицательным и называется вакуумом, а высоту столба жидкости, измеряющую вакуум, именуют вакуумметрической высотой hBАK. Запишем равенство давления для точки А, действующего слева и справа: р0 h hВАК р АТ , (2.3) или с учетом (1.37) рВАК р АТ р h p AT p . (2.4) Рис. 2.2. Приборы для измерения гидростатического давления: а — пьезометр и ртутный манометр; 6 — пружинный манометр: 1 — пружина; 2 — стрелка; 3 — передаточный механизм; 4 — корпус Давление измеряется с помощью пьезометров, манометров и вакуумметров. Пьезометры представляют собой прямые стеклянные трубки диаметром 6...8 мм, помещенные на измерительной шкале. Верхний конец трубки должен быть открытым, сообщающимся, с атмосферой. Нижний конец пьезометра устанавливается в отверстие, сделанное в стенке сосуда на той же глубине от свободной поверхности жидкости, где требуется определить избыточное давление (рис. 2.2, а). Пьезометры применяются для измерения небольшого давления, десятых и сотых долей атмосферного давления. Для измерения более значительного давления применяют жидкостные или пружинные манометры (см. рис. 2.2, б). 23 Жидкостные манометры отличаются от пьезометров тем, что в них измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости с большим удельным весом, например у ртути γрт = 136 кН/м3. Простейшим типом жидкостного манометра является U-образный ртутный манометр, в котором колено трубки заполняется ртутью. Один конец трубки присоединяется к сосуду с жидкостью в той точке, где необходимо определить избыточное давление, другой сообщается с атмосферой. Например, ртутный манометр показал hM = 0,9м, тогда избыточное давление в точке А будет рА = 0,9 • 136 = 122,4 кН/м2= 0,122 МПа. Ртутные манометры применяются для измерения давления до 3 атм (304 кПа), при большем давлении они получаются громоздкими и потому применяются главным образом в лабораторных условиях. Для измерения высокого давления часто пользуются пружинными манометрами, называемыми обычно просто манометрами. Они отличаются портативностью и простотой конструкции, поэтому являются основными приборами для измерения давления выше атмосферного. Жидкость из сосуда, в котором измеряется давление, поступает в изогнутую в виде серпа латунную трубку эллиптического поперечного сечения и частично ее распрямляет (см. рис. 2.2, б). При этом стрелка 2 с помощью рычажной системы 3 перемещается по шкале, показывая на циферблате значение давления жидкости в сосуде. Для измерения величины вакуума применяются жидкостные и пружинные вакуумметры. По устройству и действию жидкостные вакуумметры похожи на жидкостные манометры с той лишь разницей, что жидкость (вода или ртуть) в трубке вакуумметра перемещается в сторону разреженного пространства. Пружинные вакуумметры имеют такое же устройство, как и пружинные манометры, и отличаются от них тем, что при действии разрежения латунная трубка не распрямляется, а, наоборот, сгибается, передвигая стрелку с помощью той же рычажной системы по шкале. Вакуумметры устанавливаются на всасывающих трубах центробежных насосов, сифонах и т. д. 2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ, НАПРАВЛЕНИЯ И ТОЧКИ ПРИЛОЖЕНИЯ СИЛЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПЛОСКИЕ СТЕНКИ В практической деятельности довольно часто приходится сталкиваться с определением силы гидростатического давления на плоские и криволинейные поверхности. Рассмотрим сначала плоскую фигуру (площадью смоченной части ω), наклоненную к горизонту под углом а (рис. 2.3). Используя основное уравнение гидростатики 24 (1.37"), вычислим силу гидростатического давления на эту фигуру. Для наглядности совместим ее с плоскостью чертежа в плоскости X — O — Y. Так как гидростатическое давление жидкости распределяется по выделенной площади неравномерно, то сначала определим бесконечно малую силу гидростатического давления на элементарную площадку dω: dp pd p0 h d p0 d hd. Рис. 2.3. К определению суммарной силы гидростатического давления на плоскую стенку Для определения силы гидростатического давления необходимо проинтегрировать полученное выражение по всей площади ω: Р Р0 d hd p0 sin yd , (2.5) где у — координата площадки dω. Интеграл yd представляет собой статический момент смоченной поверхности фигуры относительно оси О — X и равен произведению площади этой фигуры на координату центра тяжести уC, т.е. yd yC. Следовательно, Р р0 sin yC p0 hC, (2.6) где hC = уC sinα — глубина погружения центра тяжести площади ω в жидкость. Сила гидростатического давления жидкости на плоскую поверхность равна произведению площади смоченной поверхности ω на сумму внешнего р0 и избыточного γhC гидростатического давления жидкости. Чтобы иметь полное представление о силе гидростатического давления жидкости, необходимо, кроме ее величины, знать направление и точку приложения этой силы, называемую центром давления yD. Сила давления покоящейся жидкости направлена со стороны жидкости по нормали к поверхности согласно первому свойству гидростатического давления. 25 Нахождение центра давления yD представляет большой практический интерес. В соответствии с основным уравнением гидростатики (1.37") внешнее давление р0, действующее на поверхность жидкости, передается всем точкам площади ω одинаково, поэтому точка приложения силы внешнего гидростатического давления жидкости р0со будет совпадать с центром тяжести фигуры.Сила избыточного гидростатического давления распределяется неравномерно, увеличиваясь с глубиной погружения, равнодействующая которой будет лежать всегда ниже центра тяжести фигуры. На практике чаще всего встречается случай, когда р0 = рат, т. е. на фигуру со всех сторон действует атмосферное давление, и положение центра давления зависит только от величины силы избыточного гидростатического давления. Возможна ситуация, когда р0 < pат, тогда центр давления будет располагаться выше центра тяжести. Для горизонтальной плоской поверхности центр давления и центр тяжести находятся на одном уровне. Установим точку приложения силы избыточного гидростатического давления yD. Сила гидростатического давления жидкости Р — это равнодействующая множества параллельных ей сил dP, действующих на элементарные площадки dω. Используем теорему Вариньона, согласно которой момент равнодействующей силы относительно какой-либо оси равен сумме моментов ее составляющих относительно той же оси: Рy D ydP , откуда ydP yD P С учетом . (2.7) dP hD d yD sin d и P hC yC sin d и получим 2 y d yD yC Ix , yC (2. 7 ) где I x y d — осевой момент инерции со относительно оси О — X. 2 IX0 В расчетах удобнее использовать осевой момент инерции плоской фигуры относительно центральной оси, для этого воспользуемся известной формулой перехода: I X I X 0 yC2 . 26 Подставив это выражение в формулу (2.7'), получим yD yC IX0 yC yC IX0 S , (2.7˝) где S = yC ω — статический момент плоской фигуры. При вертикальной плоской стенке, когда sin α = 1, hD hC IX0 hC , (2.8) так как yD hD h и yC C . sin sin Например, для плоской прямоугольной стенки (рис. 2.4) сила гидростатического давления P hC 1 bH 2 . 2 H bH 2 (2.9) Рис. 2.4. К определению центра давления на плоскую стенкуЦентр давления из формулы (2.7) H bH 3 / 12 2 yD H, 2 H / 2bH 3 (2.10) т. е. центр давления на плоскую прямоугольную стенку находится на 2 H ниже 3 уровня свободной поверхности жидкости. Силу гидростатического давления жидкости на плоскую поверхность можно определить графически с помощью эпюры давления, представляющей собой график изменения гидростатического давления в зависимости от глубины. Эпюры давления следует строить со стороны жидкости, не забывая о направлении действия нормальных напряжений в покоящейся жидкости. Так, для плоской вертикальной прямоугольной стенки давление распределяется по закону уравнения первой степени: p p0 hi . Задавшись значениями hi 0 , получим р = р0, если hi = Н, то p p0 H . Эпюра давления будет иметь вид трапеции (рис. 2.5, а). 27 При ро = pат давление распределяется по закону уравнения первой степени р hi : если hi = 0, то р = 0; если hi = H, то р = γН. Рис. 2.5. Эпюры давления на плоские прямоугольные стенки: а — вертикальная стенка; 6 — наклонная стенка; в — вертикальная стенка с двусторонним действием воды; г — наклонная стенка с двусторонним действием воды; д — стенка в виде ломаной поверхности Эпюра давления будет в виде треугольника (рис. 2.5, б). Следует отметить, что наклон линии зависит от величины γ. Например, для воды ( = 9 800 Н/м3) эпюра избыточного гидростатического давления будет представлять собой равнобедренный треугольник с углом β= 45°. Для жидкостей тяжелее воды (например, ртуть) наклон линии более пологий, т. е. β < 45°. Для жидкостей более легких, чем вода (например, бензин, спирт), наклон линии будет более крутым, т. е. β > 45°. Приняв во внимание первое свойство гидростатического давления, получаем эпюру давления для плоской наклонной стенки (рис. 2.5, б). Если стенка испытывает двустороннее давление, то по тому же принципу можно построить эпюру для вертикальной (рис. 2.5, в) и наклонной (рис. 2.5, г) стенок. Если стенка имеет ломаный профиль, то эпюра будет иметь вид, представленный на рис. 2.5, д. Для горизонтально расположенной стенки (в виде горизонтального дна сосуда) сила давления жидкости на все дно площадью ω может быть определена по формуле Р = Н. (2.11) Эпюра давления изобразится цилиндром с площадью основания ω и высотой Н, а сила давления будет равна весу жидкости в объеме цилиндра. Из сказанного следует, что сила избыточного гидростатического давления на дно сосуда обусловлена только родом жидкости, площадью дна сосуда и глубиной жидкости в нем и не зависит от формы и объема сосуда. Это свойство известно под названием гидростатического парадокса (рис. 2.6). 28 Рис. 2.6. Схема к гидростатическому парадоксу (а-г — сосуды разных формы и объема) 2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ, НАПРАВЛЕНИЯ И ТОЧКИ ПРИЛОЖЕНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА КРИВОЛИНЕЙНЫЕ СТЕНКИ На практике широко применяются криволинейные поверхности, находящиеся под давлением жидкости (стенки труб, резервуаров и т. д.). Для определения силы гидростатического давления рассмотрим криволинейную поверхность А—В цилиндрической формы (рис. 2.7). Выделим на этой поверхности элементарную площадку dω расположенную, под свободной поверхностью жидкости на глубине у. Рис. 2.7. К определению силы гидростатического давления на криволинейную поверхность Из-за малости площади d можно рассматривать ее как плоскую, наклонную к горизонту под углом α. Сила гидростатического давления на выделенную площадку определяется так: dP = yd. Разложим силу давления dP на две составляющие: горизонтальную dPx и вертикальную dPy, которые после замены dωsinα = d y и dωcosα = d x можно представить в таком виде: dPx dP sin yd sin yd y ; (2.12) dPy dP cos yd cos ydx , d x — проекции элементарной площадки d на плоскости, где d y и перпендикулярные соответственно к осям О — X и O —Y. Интегрирование выражений (2.12) в пределах всей площади дает значение составляющих Рх и Р : 29 PX yd y hC y , (2.13) y где yd y статический момент y y проекции всей поверхности на плоскость Y — O — X относительно оси О — X, который равен произведению площади на координату ее центра тяжести; hс — координата центра тяжести. Горизонтальная составляющая силы гидростатического давления жидкости на криволинейную поверхность равна силе давления на ее вертикальную проекцию, т.е. чтобы определить горизонтальную составляющую силы давления, необходимо криволинейную поверхность спроецировать на вертикальную плоскость и вычислить силу давления на нее как на плоскую стенку. Вертикальная составляющая Py ydx dW W , x (2.14) x где W — объем тела давления, лежащий над всей криволинейной поверхностью, т. е. вертикальная составляющая силы гидростатического давления жидкости равна весу жидкости в объеме, ограниченном криволинейной поверхностью, ее вертикальной проекцией и свободной поверхностью жидкости. Величина равнодействующей будет равна геометрической сумме горизонтальной и вертикальной составляющих Рх и Рy : P PX2 Py2 . (2.15) Направление этой силы определяется углом arctgPy / Px (2.16) Точка се приложения будет находиться на пересечении линий действия составляющих Рх и Рy. 2.4. ЗАКОН АРХИМЕДА Рассмотрим тело правильной формы высотой H и площадью верхнего и нижнего оснований , погруженное в жидкость (рис. 2.8). В расчете участвуют только силы веса и гидростатического давления на верхнее и нижнее основания, так как силы давления, испытываемые боковыми поверхностями тела, взаимно уравновешены. 30 Рис. 2.8. К доказательству закона Архимеда Сила гидростатического давления на верхнее основание P1 P0 H1 , та же сила на нижнее основание P2 P0 H 2 . Сила веса тела, G T H 2 H1 T H , где T — удельный вес тела. Тогда уравнение равновесия можно представить в следующем виде: Р - G = 0, (2.17) где Р = Р2 - Р1 — архимедова (выталкивающая) сила направлена по вертикали вверх и приложена к телу в точке, соответствующей центру давления и называемой центром водоизмещения; (2.18) P T H 2 H1 H W , где W — объем рассматриваемого тела. На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила Р, равная весу вытесненной им жидкости, — это закон Архимеда. Формула (2.18) справедлива для погруженного в жидкость тела любой формы, так как такое тело можно представить состоящим из множества бесконечно малых призматических тел, подобных рассмотренному. При рассмотрении уравнения (2.17) могут встретиться три случая плавания твердого тела: а) G > Р (тело тонет); б) G = Р (подводное плавание тела); в) G < Р (надводное плавание тела). Наибольшее практическое значение имеют второй и третий случаи. В результате воздействия на плавающее тело ветра, неравномерной нагрузки и других обстоятельств оно может отклониться от положения равновесия. Поэтому возникает вопрос об остойчивости, т. е. способности плавающего тела восстанавливать положение равновесия при его нарушении. 31 На рис. 2.9 показана схема корпуса судна со следующими обозначениями: а — а — плоскость плавания, ограниченная ватерлинией как контуром; о — о — ось плавания, нормальная к плоскости плавания и проходящая через центр тяжести тела С. Рис. 2.9. Плавучесть тела На оси плавания расположены три центра: центр тяжести С, центр водоизмещения D и метацентр М (точка пересечения оси плавания с линией действия архимедовой силы). Используя понятие метацентрической высоты hM, можно охарактеризовать остойчивость плавающих тел следующими случаями, приняв за плоскость сравнения плоскость плавания: а) при hM > 0 судно остойчиво (см. рис. 2.9, а, б); б) при hM = 0 судно неостойчиво и в) при hM < О судно неостойчиво. Причем чем больше метацентрическая высота, тем лучше остойчивость плавающего тела. 2.5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКОНОВ ГИДРОСТАТИКИ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАШИНАХ К числу простых гидравлических машин, работа которых основана на использовании законов гидростатики относятся гидропресс, гидроаккумулятор и гидродомкрат. Гидропресс применяется для получения больших сжимающих усилий, необходимых при обработке различных изделий (ковке, штамповке, прессовании). Он состоит из двух сообщающихся цилиндров с поршнями малого d1 и большого d2 диаметров (рис. 2.10). Первый поршень (ныряло) соединен с рычагом, имеющим в точке О неподвижную шарнирную опору. Второй поршень (плунжер) составляет одно целое с платформой, на которую помещается прессуемое тело. Рычаг приводится в действие вручную или с помощью специального двигателя. Рассмат32 ривая равновесие рычага, составим Р и с. 2 .10. Схема гидравлического пресса уравнение моментов относительно точки О и найдем: Р1 = Q a (см. рис. 2.10). b (2.19) Давление от малого поршня передается на большой, причем сила давления на большой поршень Р2 Р1 2 , 1 (2.20) после подстановки значений Р1, 1 d12 и ω2 = 4 2 a d2 P2 Q . b d1 d 22 4 получим или с учетом потерь энергии на трение в движущихся частях, так называемого КПД η = 0,80 — 0,85, окончательно найдем 2 ad P2 Q 2 . b d1 (2.21) В современных гидропрессах можно получить усилия до 7 х 105 кН. Если гидропресс используется в качестве гидроподъемника, то неподвижную плиту убирают. Гидроаккумулятор накапливает энергию, чтобы затем по мере надобности ее расходовать. Применяют его для поднятия больших грузов, для открытия и закрытия ворот шлюзов и т. д. Различают грузовые и газовые гидроаккумуляторы. Грузовой состоит из вертикального цилиндра, внутри которого помещен длинный плунжер, соединенный верхней частью с грузом большого веса (рис. 2.11). В гидроаккумулятор по трубе насосом нагнетается жидкость, которая поднимает плунжер с грузом вверх на некоторую высоту H. Сжатая в гидроаккумуляторе жидкость под постоянным давлением, так как давление жидкости в гидроаккумуляторе не зависит от степени его разрядки, подводится по нижней трубе к гидравлическим машинам, обеспечивая их работу с постоянной нагрузкой. Рис. 2.11. Схема гидравлического аккумулятора 33 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Как определить силу гидростатического давления жидкости на плоскую и криволинейную поверхности? 2. Что такое центр давления? 3. Где применяется закон Архимеда? 34 3. УРАВНЕНИЕ Д. БЕРНУЛЛИ 3.1. ПОНЯТИЕ О ГИДРОДИНАМИКЕ. ВИДЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ Гидродинамикой называется раздел гидравлики, рассматривающий законы движения жидкостей и их практические приложения. Кинематика жидкости в гидравлике обычно рассматривается совместно с динамикой и отличается от нее тем, что изучает виды и кинематические характеристики движения жидкости без учета сил, под действием которых оно происходит, тогда как динамика жидкости — законы движения жидкости в зависимости от приложенных к ней сил. Жидкость в гидравлике рассматривается как непрерывная среда, сплошь заполняющая некоторое пространство без образования пустот. Причины, вызывающие ее движение, — внешние силы, такие, как сила тяжести, внешнее давление и т. д. Обычно при решении задач гидродинамики эти силы задаются. Неизвестные факторы, характеризующие движение жидкости, — это внутреннее гидродинамическое давление (по аналогии с гидростатическим давлением в гидростатике) и скорость течения жидкости в каждой точке некоторого пространства. При этом гидродинамическое давление в каждой точке — функция не только координат данной точки, как это было с гидростатическим давлением, но и времени t, т. е. может изменяться также во времени. Трудность изучения законов движения жидкости обусловливается самой ее природой и особенно сложностью, учета касательных напряжений, возникающих вследствие наличия сил трения между частицами. Поэтому начинать рассматривать гидродинамику, по предложению Л. Эйлера, удобнее с невязкой (идеальной) жидкости, т. е. без учета сил трения, внося затем уточнения в полученные уравнения для учета сил трения реальных жидкостей. Существуют два метода изучения движения жидкости: Ж. Лагранжа и Л. Эйлера. Метод Лагранжа заключается в рассмотрении движения каждой частицы жидкости, т. е. траектории их движения. Из-за значительной трудоемкости этот метод не получил широкого распространения. Метод Эйлера состоит в изучении всей картины движения жидкости в различных точках пространства в данный момент времени. Этот метод позволяет определить скорость движения жидкости в любой точке пространства в любой момент времени, т.е. характеризуется построением поля скоростей, и поэтому широко применяется при исследовании движения жидкости. Недостаток метода Эйлера заключается в том, что при рассмотрении поля скоростей не изучается траектория отдельных частиц. Рассмотрим виды движения жидкости. Установившееся движение — это такое движение, при котором в любой точке потока жидкости скорость и давление с течением времени не изменяются, т. е. u f1 x, y, z и p f 2 x, y, z . Примерами данного вида движения могут быть 35 истечение из крана бензобака топлива при его неизменном уровне, а также движение воды в канале с постоянными геометрическими параметрами: площадью поперечного сечения и глубиной. Неустановившееся движение — это такое движение, при котором в любой точке потока жидкости скорость и давление с течением времени изменяются, т. е. u 1 x, y, z, t и p 2 x, y, z, t . Примеры: истечение топлива из крана бензобака при его опорожнении, а также движение воды в реке при паводке. В дальнейшем будем рассматривать в основном установившееся движение жидкости, которое подразделяется на равномерное и неравномерное. При равномерном живое сечение потока и средняя скорость остаются постоянными вдоль течения, а при неравномерном эти параметры изменяются. Потоки жидкости подразделяются на напорные, безнапорные и гидравлические струи. При напорном движении поток не имеет свободной поверхности, т. е. соприкасается с твердыми стенками со всех сторон. Примером будет движение воды в трубопроводе под определенным напором. При безнапорном движении поток имеет свободную поверхность, т. е. соприкасается с твердыми стенками лишь по части периметра. Примером служит движение воды в каналах и реках. В гидравлических струях поток окружен со всех сторон свободной поверхностью. Пример: струя пожарного брандспойта. 3.2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОТОКА Для изучения законов движения жидкости введем понятия траектории движения частицы жидкости, линии тока и элементарной струйки. Траектория движения частицы жидкости — это путь движения отдельной частицы жидкости в пространстве (рис. 3.1, а). При установившемся движении эта траектория неизменна во времени, при неустановившемся она непрерывно меняется во времени, так как происходит изменение скорости течения по величине и направлению. В связи с этим вводится понятие линии тока. Линия тока — это линия, проведенная через ряд точек в движущейся жидкости таким образом, что в каждой из этих точек векторы скорости в данный момент времени касательны к ней (рис. 3.1, б). Необходимо различать понятия траектории движения и линии тока. Траектория движения изображает путь, который проходит частица жидкости за некоторый промежуток времени. Линия тока дает определенную мгновенную характеристику потока, связывает различные частицы жидкости, лежащие на линии тока в данный момент, и показывает направление вектора скорости частиц в этот момент. При установившемся движении жидкости траектория движения частиц совпадает с линией тока. Если в движущейся жидкости взять бесконечно малый замкнутый контур и через все его точки 36 провести линии тока, то образуется трубчатая непроницаемая поверхность, которую называют трубкой тока. Часть жидкости, заключенную внутри трубки тока, именуют элементарной струйкой жидкости. Совокупность движущихся с разными скоростями элементарных струек называют потоком жидкости. К гидравлическим характеристикам движения жидкости, кроме понятий траектории, линии тока, элементарной струйки, трубки тока, потока, относятся также живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус, расход жидкости и средняя скорость. Живое сечение ω — это поперечное сечение потока, перпендикулярное ко всем линиям тока. Например, в круглой трубе диаметром d, в которой все поперечное 2 сечение занято жидкостью, живое сечение — это площадь круга d / 4. Смоченный периметр χ — та часть периметра живого сечения, которая соприкасается с твердыми стенками. Например, для круглой трубы, работающей полным сечением, данный показатель равен длине окружности, т. е. d . Гидравлический радиус R — отношение площади живого сечения к смоченному периметру: R = / . Например, для круглой трубы, работающей полным сечением, гидравлический радиус равен четверти ее диаметра, т.е. d 2 d R . 4d 4 (3.1) Расход жидкости — это ее объем, протекающий в единицу времени через живое сечение потока. Расход для элементарной струйки dQ ud, где u — истинная скорость движения частиц жидкости; d— площадь живого сечения элементарной струйки. Расход для потока жидкости Q ud , (3.2) где — площадь живого сечения потока. Средняя скорость — отношение расхода к площади живого сечения: υ Q / , откуда Q = υω. (3.3) 37 3.3. УРАВНЕНИЕ НЕРАЗРЫВНОСТИ УСТАНОВИВШЕГОСЯ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ Уравнение неразрывности для элементарной струйки и потока жидкости может быть получено в ходе следующих рассуждений. Если поток несжимаемой жидкости сплошной, то с течением времени ее масса в данном объеме не изменится (не увеличится и не уменьшится). Проследим за массой жидкости, протекающей через грани элементарного параллелепипеда, выделенного внутри движущейся жидкости (рис. 3.2). Сначала рассмотрим направление, совпадающее с направлением оси О — Х. Предположим обратное, т. е. что при протекании через грани параллелепипеда количество массы жидкости изменится. Тогда через левую грань параллелепипеда жидкость втекает со скоростью uх, а через правую вытекает со скоростью ux u x dx и т.д. x Величина изменения количества массы за единицу времени в параллелепипеде в направлении, совпадающем с направлением оси О — Х, составит: u u dM x u x dydz u x x dx dydz x dxdydz. x x По аналогии с этим изменение количества массы за единицу времени по другим направлениям будет: dM y u y dxdydz y u dM z z dxdydz. z (3.4) Однако по условию неразрывности dM dM x dM y dM z 0, u x u y u z 0. x y z или dM dxdydz Величины ρ, dx, dy, dz не равны нулю. Следовательно, 38 u x u y u z 0. x y z (3.5) Выражение (3.5) называется уравнением неразрывности в дифференциальной форме (уравнением Л. Эйлера) для произвольного движения несжимаемой жидкости. Для потенциального движения несжимаемой жидкости существует функция φ(х, у, z), именуемая потенциалом скорости, частные производные которой по координатным осям равны соответствующим проекциям скорости: ux ; uy ; uz . x y z С учетом этого уравнение неразрывности (3.5) может быть записано в виде 2 2 2 0. x 2 y 2 z 2 (3.6) Выражение (3.6) называется уравнением Лапласа. Если взять в потоке жидкости живые сечения 1 — 1, 2 — 2 и 3 — 3 (рис. 3.3), то для каждого из них будет справедлива формула (3.3): Q1 11 ; Q2 22 ; Q3 33 . Так как для всех живых сечений данного потока величина Q постоянна, то Q1 Q2 Q3 и 11 2 2 33 , (3.7) что выполнимо при неразрывности потока несжимаемой жидкости. 3.4. УРАВНЕНИЕ Д. БЕРНУЛЛИ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ СТРУЙКИ НЕВЯЗКОЙ И ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ Выделим внутри жидкости бесконечно малую частицу в виде параллелепипеда (рис. 3.4). Рассмотрим уравнение движения частицы жидкости вдоль оси О — Х. По аналогии с рис. 1.4 на эту частицу будут действовать силы давления слева pdydz, справа - 39 p p dx dydz и массовая сила dxdydzX . Если к действующим на частицу x движущейся жидкости силам добавить силы инерции с обратным знаком, то на основании постулата Даламбера можно рассматривать эту частицу как находящуюся в покое. Составляющие сил инерции по координатным осям будут равны dxdydz du du x du ; dxdydz y ; dxdydz z , dt dt dt а они же, отнесенные к единице массы, т. е. деленные на следующими значениями по осям: 1 dxdydz , определяются du y du x du ; 1 ; 1 z . dt dt dt Добавляя к уравнениям равновесия покоящейся жидкости (1.23) силы инерции, получаем дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости (уравнения Эйлера): 1 p du x ; x dt 1 p du y Y ; y dt 1 p du z Z . z dt X (3.8) Умножим слагаемые уравнений (3.8) соответственно на dx, dy, dz и сложим Xdx Ydy Zdz 1 p dx p dy p dz их: du y x y du x du dx dy z dz. dt dt dt z (3.9) Упростим выражение (3.9). 1. (Xdx+Ydy+Zdz) — это полный дифференциал некоторой функции П, т. е. dП = Xdx + Ydy + Zdz. 2. Считая движение установившимся — Р = f(x, у, z), можно записать: dП 3. Так как u x p p p dx dy dz. x y z (3.10) dx , то dt 40 u x2 du x du x dx u x dt u x du x d . dt dt 2 По аналогии с этим u 2y du z u z2 dz d . и dy d 2 dt dt 2 du y x Подставив данные выражения в уравнение dП 1 (3.9), получим: 1 1 1 dp d u 2 , или dp d u 2 dП 0. 2 2 После интегрирования р u2 П const. 2 (3.11) Если движение жидкости происходит только под действием внешней силы тяжести, то dП = Zdz = -gdz. Откуда П = -gz. Подставив это выражение в уравнение (3.11), найдем: р u2 gz const , 2 или после деления на g u2 z const H Г , 2g p (3.12) где HГ — гидродинамический напор, м. Уравнение (3.12) можно записать для двух сечений элементарной струйки 1 — 1, 2 — 2 в виде равенства гидродинамических напоров в них: Н Г1 Н Г 2 , или u12 p2 u22 z1 z2 . 2g 2g p1 (3.13) Уравнение (3.12) называется интегралом Бернулли, а (3.13) — уравнением Бернулли для элементарной струйки невязкой жидкости, они выведены впервые в 1738 г. Для реальной (вязкой) жидкости напор в любом вышележащем сечении всегда будет больше, чем в нижележащем по течению, так как часть энергии затрачивается на преодоление сил сопротивления, т. е. можно записать уравнение Бернулли для элементарной струйки вязкой жидкости в следующем виде: u12 p2 u 22 z1 z2 h , (3.14) 2g 2g w где hw = H Г1 Н Г 2 — удельные потери напора на преодоление всех p1 сопротивлений (сил вязкости и сил трения между жидкостью и стенкой). 41 3.5. УРАВНЕНИЕ Д. БЕРНУЛЛИ ДЛЯ ПОТОКА ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ. КОЭФФИЦИЕНТ КОРИОЛИСА При переходе от элементарной струйки к потоку вязкой жидкости, обладающему конечными размерами, необходимо учесть неравномерность распределения скоростей в живых сечениях и иметь представление о возможности применения уравнения Бернулли. Решение этих вопросов сводится к установлению поправочных коэффициентов и выделению потоков с плавно изменяющимся движением, т. е. таким, при котором угол расхождения между соседними элементарными струйками настолько мал, что составляющими скорости в поперечном сечении можно пренебречь. В этих условиях справедлив основной закон гидростатики, т. е. величина z + р/γ одинакова во всех точках сечения. При движении вязкой жидкости вдоль твердой стенки ее скорость достигает максимального значения в центральной части потока и уменьшается до нуля около стенки. Неравномерное распределение скоростей означает неодинаковое скольжение одних элементарных струек по другим, движение вязкой жидкости сопровождается вращением частиц, вихреобразованием и перемешиванием. В связи с этим приходится вводить среднюю по сечению скорость v. Для приведения результатов расчетов по средней скорости в соответствие с действительными скоростями используется коэффициент Кориолиса α, характеризующий неравномерное распределение скоростей в живом сечении потока, представляющий собой отношение кинетической энергии, подсчитанной по истинным скоростям сечения, к той же энергии, определенной по средней скорости в этом же сечении потока: 2 u dM M 2 , (3.15) где М — масса жидкости; u и υ— соответственно истинная и средняя скорости. Обычно в трубопроводах и каналах α = 1,05...1,10. Иногда приближенно принимают α 1. Поэтому для потока вязкой жидкости с учетом неравномерности распределения скоростей по живому сечению уравнение Бернулли запишется следующим образом: z1 p1 12 2g z2 p2 22 2g hw1 2 (3.16) Оно устанавливает связь между высотными положениями частиц жидкости, давлением и скоростями в разных сечениях потока жидкости. Причем каждая из входящих в формулу (3.16) величин может изменяться, но сумма их остается постоянной. 42 3.6. ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ И ГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ УРАВНЕНИЯ Д. БЕРНУЛЛИ Для понимания физического смысла уравнения Бернулли все его слагаемые могут быть представлены графически (рис. 3.5). Для этого необходимо в выбранных сечениях установить пьезометры и скоростные трубки. Индексами 1 и 2 обозначены величины, относящиеся соответственно к живому сечению потока 1 -1, взятому выше по течению, и к живому сечению 2 — 2, — ниже по течению. Все слагаемые, входящие в уравнение Бернулли, имеют линейную размерность и характеризуют высоту: z — геометрический напор, или геометрическая высота положения центра тяжести живого сечения потока над произвольно взятой горизонтальной плоскостью сравнения 0 — 0; р / — высота давления, пьезометрический напор, или пьезометрическая высота, т. е. высота такого столба жидкости, который соответствует гидродинамическому давлению в центре тяжести живого сечения потока; 2 2g - скоростной напор, или скоростная высота; α— коэффициент неравномерности распределения скорости по сечению, при расчете трубопроводов α = 1; hw1 2 — потерянный напор. Следовательно, сумма первых трех слагаемых уравнения Бернулли, обозначаемая через Н1 и Н2, имеет также размерность длины и называется полным гидродинамическим напором соответственно в сечениях 1 — 1 и 2 — 2. Член hw1 2 выражает суммарную потерю напора между рассматриваемыми сечениями. Тогда уравнение Бернулли (3.16) можно записать в следующем виде: Н1=Н2 + hw1 2 = Н, (3.17) т. е. для любого потока величина Н остается постоянной. 43 Если соединить уровни жидкости в пьезометрах, то получится пьезометрическая линия р — р. Падение пьезометрической линии на единицу длины потока называют пьезометрическим уклоном Ір который выражают следующей зависимостью: p p z1 1 z2 2 Ip , l (3.18) где l — длина потока между сечениями 1 — 1 и 2 — 2. Пьезометрический уклон может быть как положительным, так и отрицательным. Сумму (z + р/γ) называют пьезометрическим (потенциальным) напором. Если соединить уровни жидкости в скоростных трубках, то получится линия полного напора Е — Е, падение которой на единицу длины называют гидравлическим уклоном I и выражают зависимостью p1 12 p2 22 z1 z 2 2g 2g I , l (3.19) или сокращенно I H1 H 2 hw1 2 . l l (3.19') Линия полного напора Е — Е всегда понижается, т. е. при движении реальной жидкости часть напора затрачивается на преодоление сил трения. При равномерном движении жидкости линия Е — Е будет параллельна пьезометрической линии р — р и гидравлический уклон равен пьезометрическому: Ip = I. Для идеальной жидкости линия полного напора Е — Е параллельна плоскости сравнения и совпадает с линией начального напора, т. с. hw = 0. С энергетической точки зрения уравнение Бернулли представляет тот или иной вид удельной энергии, т. е. энергию, приходящуюся на единицу веса жидкости. Из уравнения (3.16) видно, что полная удельная энергия потока состоит из удельной энергии положения z, удельной энергии давления р/у и удельной 2 , которая уменьшается по длине потока в кинетической энергии 2g направлении движения из-за преодоления сил трения. Таким образом, уравнение Бернулли представляет собой сумму 2 удельных энергии и выражает потенциальной (z + р/γ) и кинетической 2 g частный случай общего закона сохранения энергии в природе, доказанного великим русским ученым М. В. Ломоносовым. 44 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Что такое движение жидкости, какие различают виды движения? 2. Назовите гидравлические элементы потока. 3. Что понимается под элементарной струйкой и потоком жидкости? 4. Чем различаются уравнения Д. Бернулли для идеальной и реальной жидкости? 5. Каков физический смысл уравнения Д. Бернулли? 45 4. ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПОДОБИЕ И РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ 4.1. ПОДОБИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ. ОБЩИЙ ЗАКОН ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПОДОБИЯ При изучении движения реальной жидкости встречаются трудности, обусловленные характером движения и влиянием различных факторов, участвующих в данном процессе. В связи с этим, наряду с аналитическими расчетами гидравлических явлений, широко применяются экспериментальные исследования. Сочетание их позволяет получать надежные результаты. Обычно экспериментальные гидравлические исследования проводят в натурных условиях (в натуре) и в лабораториях на моделях. При отсутствии натурных объектов, находящихся на стадии рабочего проектирования, используют экспериментальные лабораторные исследования, получают поправочные коэффициенты к расчетным формулам или эмпирические зависимости, отражающие связь между изучаемыми факторами. В этом случае должно быть обосновано моделирование явлений, происходящих в натуре, т. е. необходимо добиваться гидромеханического подобия изучаемых процессов. Гидромеханически подобными считаются явления, если в них одинаковы отношения всех геометрических элементов, плотностей и сил, действующих в соответствующих точках и направлениях. Различают геометрическое, кинематическое и динамическое подобие. Геометрически подобными будут те потоки (в натуре и на модели), у которых линейные размеры lн и lм, площади ωн и ωм, а также объемы WH и WM находятся в соотношении lH H WH Ml ; М M l2 ; M W M l3 , lM M WM (4.1) где Мl — линейный масштаб моделирования, индексами «н» и «м» обозначены величины, относящиеся соответственно к натуре и модели. Кинематически подобными будут те потоки, частицы жидкости которых совершают геометрически подобные перемещения и для которых выполняются соотношения tH Mt ; tM υH /υM =Mυ; aH/aM =Ma , (4.2) где Mt, Mυ, Ma — масштабы моделирования соответственно времени, скорости и ускорения. Динамически подобными будут те потоки, для которых соотношения между соответствующими силами, действующими в натуре и на модели, одинаковы, т.е. 46 FH PH TH = Ne = idem, FM PM TM (4.3) где F, Р и T соответственно силы инерции, силы тяжести и силы вязкости. Для движущихся потоков одни из основных сил — силы инерции, которые можно выразить в виде произведения массы m на ускорение a: FH mH aH H lH2 H2 ; 2 2 FM mH aM M lM M FH FM Ne. 2 2 2 2 H lM M H lM M (4.4) Выражение (4.4) — общий закон гидромеханического подобия, установленный в 1686 г. И. Ньютоном, который можно сформулировать так: в динамически подобных потоках между двумя соответственными силами FH и FM должно существовать постоянное соотношение Ne, называемое критерием Ньютона. 4.2. ЧАСТНЫЕ КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ Общие положения. Условие гидромеханического подобия гидравлических явлений — это соблюдение равенства (4.4) для всех сил (тяжести, давления, инерции, трения, поверхностного натяжения), под действием которых происходят эти явления. Влияние указанных сил ввиду их разной физической природы неодинаково. В связи с этим устанавливают частные критерии подобия для случаев, когда в качестве преобладающей принимается какая-нибудь одна из действующих сил. Критерии частного подобия можно вывести из критерия Ньютона, подставляя в него силу тяжести G, при этом получим условие подобия только сил тяжести (критерий Фруда Fr), или силу трения Т — условие подобия лишь сил трения (критерий Рейнольдса Re) и т. д. Критерий Фруда. При моделировании истечения из отверстий и насадков через водосливы преобладают силы тяжести при ничтожно малом влиянии сил поверхностного натяжения и вязкости. Из отношения сил инерции и тяжести можно получить критерий Фруда, или закон гравитационного подобия: Силы инерции l 2 2 2 Fr idem. Силы тяжести gl l 3 (4.5) Следовательно, при преобладании сил тяжести потоки подобны, если равны числа Фруда для натуры и для модели, т. е. FrH = FrM. Так как обычно в подобных потоках ускорения силы тяжести gн = gм, критерий Фруда несколько упростится: H2 lH M2 lM Fr. (4.5’) Переход от модели к натуре в этом случае может быть выполнен по следующим зависимостям: для скорости 47 H2 lH Ml. M2 lM (4.6) или H M M1 ; для расхода QH H H M l2 M l , QM M M (4.7) или QH QM M l2 M l ; для времени так как то lH l l t t l ; M M и H H M ; H M M , tH t M M t H lM t M lH H t H M lH , то t H tM M l . t M H lM Н (4.8) Критерий Рейнольдса. При моделировании движения жидкости в трубах, реках и каналах преобладают силы трения (вязкости), поэтому закон гидромеханического подобия будет представлен в ином виде: Силы инерции l 2 2 l Re idem, Силы трения l v (4.9) где силы трения найдены по зависимости (1.6). Следовательно, при преобладании силы трения потоки будут подобными, если критерий Рейнольдса для них одинаков, т.е. ReН = ReM, или Н lH vH M lM vM . (4.9') Переход от модели к натуре в этом случае при vH = vM может быть выполнен по следующим формулам: для скорости Н М Мl ; для расхода QH= QMMl; для времени QH = tMMl 2. (4.10) 48 4.3. РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ. ЧИСЛО РЕЙНОЛЬДСА Давно было замечено, что существуют два режима движения жидкости: ламинарный (от лат. lamina — слой), при котором поток жидкости движется отдельными слоями (струйками) без перемешивания, и турбулентный (от лат. turbulentus — беспорядочный), при котором происходит беспорядочное интенсивное перемешивание движущихся частиц жидкости.В природе ламинарный режим встречается при движении жидкостей с большой вязкостью: нефти, мазута, смазочных масел и в порах грунта при движении подземных вод. Турбулентный режим отмечается при движении маловязких жидкостей (вода, бензин, спирт) в трубах, каналах, реках. Характер режима движения зависит от соотношения действующих в них сил. Если при движении жидкости преобладают силы вязкости, то мы наблюдаем ламинарный режим, если силы инерции, то турбулентный. На это обстоятельство указывал в 1880 г. Д. И. Менделеев в работе «О сопротивлении жидкости и воздухоплавании», оно было изучено в 1883 г. английским физиком О. Ренольдсом на весьма простой экспериментальной установке (рис. 4.1). Опыты О. Рейнольдса показали, что переход от ламинарного режима движения жидкости к турбулентному происходит при определенной скорости, которую называют критической. Как показывают опыты, значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости v и обратно пропорционально диаметру трубки d: кр Re кр , d (4.11) где Reкр — безразмерное число Рейнольдса. Чаще всего это выражение записывают следующим образом: Re кр кр d v . Число Рейнольдса, при котором ламинарный режим движения жидкости переходит в турбулентный, называют критическим и обозначают Reкp. Опытами установлено, что в момент перехода ламинарного режима в турбулентный Reкp = 2320. Следовательно, если при движении в трубах Re < 2 320, то оно будет ламинарным, а при Re > 2 320 — турбулентным. При безнапорном движении жидкости число Рейнольдса определяют не через диаметр трубы, а через гидравлический радиус R по формуле 49 Re = R v , где R = d/4, т. е. для безнапорного движения жидкости критическое число Рейнольдса будет в 4 раза меньше, чем при движении в трубах, Reкp = 580. Следовательно, при безнапорном движении жидкости при Re < 580 будет отмечаться ламинарный режим, а при Re > 580 — турбулентный. Ламинарное движение жидкости в цилиндрической трубе схематически изображают телескопическим, т.е. движущаяся жидкость как бы разделяется на бесконечно большое число тонких концентричных относительно оси трубопровода слоев (рис. 4.2, а). Иными словами, при ламинарном движении жидкости в цилиндрической трубе распределение скоростей по сечению имеет вид параболы: у стенок трубы равны нулю, а при удалении от них плавно возрастают и достигают максимального значения на оси трубы. Для открытых потоков график распределения скоростей при ламинарном режиме показан на рис. 4.2, б. Устанавливаем закон распределения скоростей в живом сечении потока при ламинарном режиме. Для этого выделим внутри горизонтального трубопровода объем жидкости в виде цилиндра радиусом r и длиной l (рис. 4.3). При равномерном движении жидкости, при котором все живые сечения но длине потока одинаковы как по форме, так и по размерам, скорости в соответственных точках этих сечений также одинаковы. Скорость — функция исключительно r: u I 2 r0 r 2 , 4 центральной струйки при r = 0 umax (4.12) I 2 r0 . 4 (4.12') Расход жидкости через трубу определится из выражения 50 I r04 r04 I 4 r0 , Q 2 2 4 8 (4.13) отсюда средняя скорость Q I 2 r0 , 8 r02 (4.14) а соотношение между максимальной и средней скоростью umax 2. (4.15) Турбулентный режим характеризуется беспорядочным движением частиц жидкости, которое происходит по произвольным траекториям и с различной скоростью, причем скорость в любой точке потока непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению около некоторого среднего значения. Такое изменение во времени мгновенной местной скорости называется пульсацией скорости (рис. 4.4). Среднюю по времени скорость именуют осредненной местной или осредненной. Аналитически связь между осредненной и мгновенной скоростями может быть выражена зависимостью 1T u udt , T0 где Т — период наблюдений. Распределение осредненных скоростей течения в живом сечении трубопровода, полученное на основе опытных данных, может быть представлено схематически (рис. 4.5). Из рисунка видно, что распределение скоростей течения в этом случае выглядит иначе, чем при ламинарном режиме движения. Только в пограничном слое (ламинарная пленка + переходный слой) скорости течения изменяются так же, как при ламинарном режиме. В переходной зоне зарождаются вихри, обусловленные увеличением скорости движения и влиянием выступов шероховатости. При этом если выступы шероховатости меньше ламинарной пленки, то стенка будет гидравлически гладкой; если наоборот, то неровности стенок будут увеличивать беспорядочность движения и стенка будет гидравлически шероховатой. Возникающие в пограничном слое вихри проникают в центральную часть потока и образуют ядро турбулентного течения. В этом ядре интенсивно и непрерывно перемешиваются частицы жидкости, возникают дополнительные напряжения, обусловленные турбулентностью 51 потока. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Для чего проводят лабораторные экспериментальные исследования? 2. Сформулируйте общий закон гидромеханического подобия. 3. В каких случаях применяются критерии Фруда и Рейнольдса? 4. Как определить режим движения жидкости? 52 5. ПОТЕРИ НАПОРА ПРИ РАВНОМЕРНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ 5.1. ПОНЯТИЕ О ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЯХ. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ РАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ Сопротивления, возникающие при движении жидкости, называются гидравлическими. На их преодоление тратится некоторая часть удельной энергии движущейся жидкости, которую именуют потерей удельной энергии или потерей напора. В уравнении Бернулли для потока реальной жидкости потери напора обозначаются hw. Все гидравлические сопротивления разделяются на два вида: по длине потока и местные. Первые обусловливаются действием сил трения; вторые — местным препятствием потоку жидкости в виде изгиба трубы, внезапного сужения или расширения русла, а также при обтекании клапанов, решеток, диафрагм, кранов, которые деформируют обтекающий их поток. Таким образом, потери напора при движении жидкости будут равны сумме его потерь на трение, вызванных гидравлическими сопротивлениями по длине потока, и на местные сопротивления, т.е. hw hтр hM . Равномерным движением жидкости называют такое, при котором все живые сечения по длине потока одинаковы как по форме, так и по размерам, и скорости в соответственных точках данных сечений одинаковы. Примером может служить движение жидкости в трубопроводах с постоянным расходом по длине. Рассмотрим часть равномерно движущегося потока (рис. 5.1) при допущении одинаковости скорости движения частиц по всему живому сечению. Это допущение упрощает решение поставленной задачи, дает возможность учесть сопротивления трения только потока о стенки трубы или русла и не брать во внимание — между частицами движущейся жидкости Рис. 5.1. К выводу уравнения равномерного движения жидкости В данном случае потери напора вызываются лишь гидравлическими сопротивлениями по длине потока, т. е. hw = /hтp. Запишем уравнение Бернулли для двух сечений 1 — 1 и 2 — 2 выделенного 53 из потока участка относительно плоскости сравнения 0 - 0: z1 p1 12 2g z2 p2 22 2g hтр , (5.1) или с учетом равенства скоростей p p hтр z1 1 z2 2 , (5.2) т. е. при равномерном движении потока потери напора по длине равны разности удельных потенциальных энергий. Для ее вычисления рассмотрим действие внешних сил на выделенную часть потока и составим сумму проекций всех действующих на ось потока сил: P1 - P2 + Qcosα - Т = 0, (5.3) где Р1 и Р2 — силы давления соответственно на сечения 1 — 1 и 2 — 2; Q — сила тяжести выделенной части потока; Т — сила трения потока о стенки трубы или русла. Подставив значения слагаемых в уравнение (5.3), получим р1 р2 l z1 z2 l 0. l (5.4) Разделив это уравнение на yω, будем иметь p p l z1 1 z 2 2 . R (5.5) Так как левая часть уравнения (5.5) равна hтр, то окончательно получим hтр l R (5.6) Выражение (5.6) основное уравнение равномерного движения жидкости. 5.2. ПОТЕРИ НАПОРА ПО ДЛИНЕ В КАНАЛАХ КРУГЛОГО И НЕКРУГЛОГО СЕЧЕНИЙ 1. Потери напора по длине в каналах круглого сечения. Запишем формулу (5.4) в несколько ином виде, т. е. подставим в нее значения r0 = d/2 и I p1 p2 и получим уравнение 1 p 1 p2 2 d . 32 l (5.7) Решим его относительно I: I 32R . d 2 (5.8) 54 Левая часть полученного уравнения представляет собой потери напора в трубопроводе между сечениями 1 — 1 и 2 — 2: hтр 32l . d 2 Умножив числитель и знаменатель на υ/2 и подставив hтр g , получим: 64 2l . 2 gd 2 Выполним замену hтр (5.9) (5.10) v 1 v и : d Re 64 l 2 . Re d 2 g (5.11) это формула для определения потерь напора при ламинарном режиме движения жидкости. Обозначив 64/Re через λ, получим формулу Дарси —Вейсбаха в окончательном виде: hтр l 2 , d 2g (5.12) где λ — коэффициент гидравлического трения по длине (коэффициент Дарси), величина безразмерная. Для ламинарного режима движения жидкости λ= 64/Re. 2. Потери напора по длине в каналах некруглого сечения. Формулу для определения потерь напора по длине в каналах некруглого сечения можно получить из основного уравнения равномерного движения жидкости (5.6). Для этого необходимо принять, как это предложил Шези, величину τ/γ пропорциональной квадрату скорости: 1 2 2, С (5.13) или hтр 2l С2R , (5.14) где 1/С2 — коэффициент пропорциональности. Решив выражение (5.14) относительно υ, получим: C RI , (5.15) где I hтр / l — гидравлический уклон. 55 Формула (5.15) называется формулой Шези, а С — коэффициентом Шези. 1 м 2 Размерность коэффициента Шези — . с По формуле Шези главным образом производится гидравлический расчет сооружений с безнапорным движением жидкости. Однако практически удобнее, если коэффициент С будет безразмерной величиной. С этой целью позднее была предложена замена (5.16) Подставим (5.16) в формулу (5.14): hтр 1 2 . 4R 2 g Для трубопровода круглого сечения 4R = d. Произведя соответствующую замену, получим известную формулу Дарси — Вейсбаха (5.12). 5.3. КОЭФФИЦИЕНТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ. ГРАФИК НИКУРАДЗЕ Коэффициент гидравлического трения λ в большей степени зависит от шероховатости труб. Изучению этого явления посвящено много экспериментальных и теоретических исследований. Первыми из них были опыты И. Никурадзе, проведенные в 1920 годы в Германии. По их результатам был построен график зависимости в координатах lg(100λ) и lgRe при значениях относительной шероховатости труб экв 103 от 0,98 до 33,33 (рис. 5.2). D Рис. 5.2. График Никурадзе 56 Из графика видно, что при напорном движении в трубах существует 5 различных областей сопротивления: 1-я — при Re < 2 320 (lgRe < 3,36) характеризует ламинарный режим движения; 2-я — при 2 320 < Re < 4 000 (3,36 < lgRe < 3,6) - скачкообразный переход от ламинарного режима к турбулентному; 3я — турбулентный режим движения жидкости по гидравлически гладким трубам (в этом случае lg(100A) изменяется по пологой прямой II); 4-я представляет собой переход от области движения по гидравлически гладким трубам к квадратичной области (область между линиями II и III); 5-я характеризует турбулентный режим с квадратичной областью сопротивления (область правее линии III). Квадратичная область сопротивления указывает, что коэффициент гидравлического трения в этой области не зависит от Re, а потери напора по длине обусловлены квадратом средней скорости. И. Никурадзе проводил опыты в трубах с однородной искусственной шероховатостью. Однако применяемые на практике трубы имеют шероховатость неоднородную и неравномерную. С целью выяснения влияния различной шероховатости на λ были дополнительно проведены экспериментальные исследования, в результате которых получен ряд эмпирических формул. Приведем некоторые из них. Для гидравлически гладких труб при Re < 70 000 дает хорошие результаты формула П. Блазиуса: λ = 0,3164/Rе0,226. (5.17) Для данных труб применяется также формула Ф. А. Шевелева: λ = 0,25 /Re0,226. (5.18) Для гидравлически шероховатых (стальных, чугунных) труб используются следующие формулы Ф. А. Шевелева: при υ 1,2 м/с λ = 0,021/d0,3; (5.19) . -4 0,3 при υ < 1,2 м/с λ = (l,5 10 /d + l/Re) . (5.20) Для четвертой области сопротивления, когда коэффициент зависит и от Re, и от относительной шероховатости, справедлива формула А. Д. Альтшуля: λ = 0,11(kэ/d + 68/Re)0,25, (5.21) где kэ — эквивалентная шероховатость, т. е. такая равномерная шероховатость, которая дает при подсчете одинаковую с заданной шероховатостью величину λ. 5.4. МЕСТНЫЕ ПОТЕРИ НАПОРА И ИХ ВИДЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНЫХ ПОТЕРЬ НАПОРА Общие сведения. Местные потери напора возникают вследствие изменения величины или направления скорости движения жидкости на отдельных участках трубопровода (внезапное расширение или сужение потока, резкие повороты, а также при протекании через задвижки, вентили, сетки и т. д.). В результате этого часть удельной энергии (напора) затрачивается на преодоление сопротивлений движению жидкости, вызванных трением внутри нее, а часть механической энергии переходит в тепловую. 57 Экспериментальные исследования, проведенные Борда и Беланже, показали, что в турбулентном потоке местные потери напора пропорциональны квадрату скорости в сечении, т. е. hм 2 2g , (5.22) где — коэффициент местного сопротивления; υ — средняя скорость потока в сечении за местным сопротивлением. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся виды местных сопротивлений.Внезапное расширение трубопровода. Рассмотрение местных сопротивлений целесообразно начать с наиболее часто встречающегося на практике случая внезапно расширяющегося трубопровода (рис. 5.3). Как показывают опыты, поток, переходя из узкой трубы в широкую, расширяется постепенно. В месте расширения между транзитной струей и стенками трубы образуется кольцевая вихревая зона. Возросшие силы трения при деформации потока и вращающиеся Рис. 5.3. Внезапное расширение вальцы в вихревой зоне вызывают значительные потери удельной энергии или напора, которые можно подсчитать по формуле Борда: hв. р. 1 2 2 , 2g (5.23) где 1 ,2 — средние скорости движения потока соответственно в сечениях 1 — 1 и 2 — 2. С учетом уравнения неразрывности 11 22 можно представить величину потерь напора в зависимости от скоростей υ1 и υ2 : 2 hв. р. 1 12 1 ; 2 g 2 2 2 22 hв. р. 1 ; 2 g 1 (5.24) Отсюда коэффициенты сопротивления при внезапном расширении потока 58 2 в. р1 в. р 2 1 1 ; 2 2 2 1 . 1 (5.24’) Рис 5.4.Внезапное сужение Внезапное сужение трубопровода. При внезапном сужении (рис. 5.4), так же как при внезапном расширении, в месте сужения между транзитной струей и стенками трубы образуется кольцевая вихревая зона, которая вызывает потери напора. Коэффициент сопротивления в.с. с может быть приближенно найден по формуле И. Е. Идельчика при d2 < 0,5d1: в.с. d 22 0,51 2 d1 (5.25) и по уравнению А. Д. Альтшуля при d2 > 0,5d1: в.с. 1 1 0,043 0 , 57 2 2 1,1 d 2 / d1 2 (5.26) или по опытным данным Вейсбаха. Зависимость в.с от отношения d2/d1 будет следующей: d2/d1 в.с 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,5 0,49 0,46 0,43 0,4 0,35 0,29 0,22 0,14 1 0 Вход из резервуара в трубу. Этот случай можно рассматривать, как внезапное сужение, по формуле (5.25) при d2 << d1, т. е. d2 0, тогда в.с = 0,5. Плавный поворот трубы до 90° (рис. 5.5). При изменении направления движения потока действуют центробежные силы, в результате влияния которых возникает поперечная циркуляция в потоке, а линии тока становятся винтообразными. Это приводит к большим потерям напора, чем на прямолинейных участках. Коэффициент сопротивления плавного поворота пов зависит от Рис. 5.5. Плавный поворот трубы отношения диаметра трубы d к радиусу закругления R: d/R 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 2,4 1,6 1,8 2,0 пов 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,4 0,6 0,9 1,4 1,9 4 5 6 8 1 4 9 4 6 8 1 8 59 Резкий поворот трубы (рис. 5.6). Значения коэффициента сопротивления принимаются в зависимости от угла поворота : Рис. 5.6. Резкий поворот трубы α, град. 30 40 50 60 70 80 90 пов 0,2 0,3 0,4 0,55 0,7 0,9 1,1 Диафрагма (рис. 5.7) в виде диска с отверстием применяется для измерения расхода жидкости в трубах. Коэффициент сопротивления диафрагмы Д зависит от отношения площади отверстия 0 к площади сечения 1 : 0 / 1 Д 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 245 51,5 18,2 8,25 4,0 0,6 0,7 0,8 0,9 2,0 0,97 0,42 0,13 1,0 0 Задвижка (рис. 5.8). Для задвижки коэффициент сопротивления з зависит от степени перекрытия сечения трубы, которая характеризуется отношением высоты перекрытия а к диаметру трубопровода d: a/d 0,875 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 з 97,8 35 10 4,6 2,06 0,98 0,44 0,17 0,06 0,05 Рис. 5.7. Диафрагма Рис. 5.8. Задвижка Суммарные потери. Большинство коэффициентов местных соротивлений М относится к турбулентному движению с числами Рейнольдса более 5 • (103...104), когда влияние вязкости оказывается незначительным. При движении жидкости с малыми числами Рейнольдса коэффициенты местных сопротивлений зависят от геометрических характеристик этих сопротивлений и от чисел Рейнольдса. При наличии на трубопроводе нескольких местных сопротивлений, характеризующихся соответствующими коэффициентами 60 1, 2 , 3 ,..., n , можно подсчитать суммарную потерю напора на местные сопротивления по формуле hМ 1 2 ... n 2 2g . (5.27)С учетом суммы потерь напора по длине этого же трубопровода общую потерю напора можно описать зависимостью l 2 hw hM hl 1 2 ... n , d 2g (5.28) где выражение в скобках называется коэффициентом сопротивления системы сист, или hw сист 2 2g . (5.28’ ) КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. На что тратится некоторая часть удельной энергии движущейся жидкости? 2. Как определяются потери напора по длине в каналах круглого и некруглого сечений? 3. От чего зависит коэффициент гидравлического трения? 4. Какие потери напора называются местными и как они определяются? 5. Чему равны суммарные потери напора? 61 6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРУБОПРОВОДОВ. ОСНОВНАЯ ФОРМУЛА ПРИ РАСЧЕТЕ ТРУБОПРОВОДОВ Трубопроводы широко применяются для перемещения различных жидкостей (вода, нефть, бензин, различные растворы и т. д.) и изготавливаются из металла, бетона, дерева, пластмассы. По степени заполнения поперечного сечения жидкостью различают напорные и безнапорные трубопроводы. В напорных жидкостью заполнено полностью все поперечное сечение; в безнапорных — часть его и имеется свободная поверхность. По виду потерь напора бывают трубопроводы короткие и длинные. Короткие трубопроводы — это такие, в которых местные потери напора соизмеримы с потерями напора по длине. К ним относятся бензо- и маслопроводы, всасывающие трубопроводы насосных станций, сифоны и т. д. Длинные трубопроводы — это трубопроводы, в которых местные потери напора незначительны и не превышают 10 % от потерь напора по длине, т. е. hМ ≤ 0,1 hl. К ним относятся водо- и нефтепроводы. В свою очередь длинные трубопроводы разделяют на простые и сложные. Простые трубопроводы выполняют без ответвлений; сложные изготавливаются с ответвлениями, переменных длины и диаметра и могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Сложные трубопроводы образуют тупиковую (незамкнутую) и кольцевую (замкнутую) распределительные сети. В тупиковой сети жидкость движется в одном направлении; в кольцевой может подаваться в заданную точку по нескольким линиям. Задача гидравлического расчета трубопровода заключается в определении по двум известным третьей величины: расхода жидкости Q, потерь напора hw или диаметра трубопровода d. При расчете трубопроводов эти задачи решаются с помощью уравнения Бернулли, формул Шези: С RI и Дарси — Вейсбаха: hтр 1 2 . Из d 2g формулы Шези с учетом уравнения неразрывности Q = 11 22 можно получить зависимость для расхода Q: Q = C RI . Обозначим К = C R , тогда Q =K I . Гидравлический уклон определится из выражения Q2 I 2, K (6.1) (6.1’) (6.1") 62 Q 2l 8g Q а потери напора hw 2 . Подставив значения 2 ; ; d 4 R в C K формулу Царси —Вейсбаха, получим: 8g l Q2 hw 2 , C 4R 2 2 g (6.2) или после упрощения Q 2l hw 2 2 , C R (6.3) т. е. Q 2l hw 2 K (6.4) это основная формула при расчете трубопроводов, где К2 — расходная характеристика, или модуль расхода трубопровода, представляющая собой расход при гидравлическом уклоне I = 1. Значение этой величины в зависимости от диаметра труб, их материала и состояния приводится в специальных таблицах гидравлических справочников. Величину, обратную модулю расхода, А = 1 /К2 называют удельным сопротивлением трубопровода, которое численно равно напору, затрачиваемому на единице длины трубопровода при единичном расходе. 6.2. РАСЧЕТ КОРОТКИХ ТРУБОПРОВОДОВ Рассмотрим короткий трубопровод с местными сопротивлениями, присоединенный к резервуару, заполненному жидкостью (рис. 6.1). Истечение жидкости в атмосферу из трубопровода длиной l и диаметром d происходит под постоянным напором H. При заданных длине и диаметре необходимо определить скорость движения υ и расход жидкости Q. Для сечений 1 – 1 и 2 — 2 составим уравнение Бернулли относительно плоскости сравнения 0 — 0, считая, что 12 / 2 g 0; H1 H 2 H и 2 1, тогда 63 Рис. 6.1. Схема к расчету коротких труб H1 p АТ 12 2п Н2 р АТ 12 2g hw , (6.5) или Н 2 2g hw , (6.5') где hw — суммарные (по длине и местные) потери напора между сечениями 1 — 1 и 2 — 2, которые можно представить в виде зависимости (5.28'), т. е. hw = сист 2 / 2g (потери напора на вход, поворот, по длине и на задвижку). Формулу (6.5') можно записать в следующем виде: H 2 2g 1 сист . (6.5") Отсюда найдем скорость истечения жидкости: 2 gН 1 2 gH 2 gH , 1 сист 1 сист (6.6) где φ— коэффициент скорости. Тогда расход, пропускаемый коротким трубопроводом, определится по формуле Q 2 gH сист 2 gH , (6.7) где μсист — коэффициент расхода системы (при расчете трубопровода μсист= φ). Пьезометрическая линия представлена в виде ломаной линии а — b — c — d (см. рис. 6.1). 6.3. РАСЧЕТ ДЛИННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ И ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ ТРУБ Последовательное соединение труб. Рассмотрим трубопровод состоящий из последовательно соединенных длинных труб разных диаметра dl, d2,… , dn длины l 1 , l 2 ,…,l n при постоянном расходе жидкости по длине. Расчет сводится к определению суммарных потерь напора по длине трубопровода, так как местными потерями напора при расчете длинных трубопроводов пренебрегают: n Н hli hl . i 1 64 Рис. 6.2. Схема к расчету трубопровода при последовательном соединении труб Так как имеется трубопровод, состоящий из п участков, то по формуле (6.4) для каждого участка можно записать: n li l2 ln 2 l1 . Q ... 2 2 K2 K2 K i 1 K i 1 2 n n hl hli Q 2 i 1 (6.8) Формула (6.8) показывает, что трубопровод, составленный из последовательно соединенных труб разного диаметра и длины, можно рассматривать как простой, суммарные потери напора в котором равны сумме его потерь в составляющих трубопровод трубах. Выражение (6.8) позволяет решить и обратную задачу, т. е. при заданных напоре, диаметре и длине участков труб вычислить расход жидкости Q: Q H l l1 l 22 ... n2 2 K1 K 2 Kn . (6.9) Параллельное соединение труб. Особенность гидравлической схемы работы трубопровода при параллельном соединении труб состоит в том, что все они работают под действием напора Н = Hl - H2, который необходим для преодоления потерь напора по длине hl. При этом следует иметь в виду, что во всех ответвлениях параллельных труб потери напора будут одинаковыми, Рис. 6.3. Схема к расчету трубопровода т.е. hl hl1 hl 2 hl3 H . при параллельном соединении труб Расчет трубопровода при параллельном соединении труб сводится к составлению для каждого ответвления уравнения (6.4) Q12l Q22l2 Qn2ln hl1 2 ; hl 2 2 ;...; hl n 2 K1 K2 Kn (6.10) и общего уравнения для расхода жидкости в трубопроводе: Q Q1 Q2 ... Qn K1 n H H H K2 ... Qi . l1 l2 ln i 0 (6.11) 65 6.4. РАСЧЕТ ТУПИКОВОЙ И КОЛЬЦЕВОЙ СЕТЕЙ ТРУБОПРОВОДА Тупиковая сеть состоит из магистрального трубопровода и нескольких тупиковых ответвлений. На рис. 6.4 показаны два ответвления (1 и 2), питающихся от одной водонапорной башни по магистральному трубопроводу длиной l и диаметром d. Геометрические высоты z1, z2, ZБ, ZA, высоты отбора воды h1, h2, пьезометрическая высота в точке разветвления hА, напор, создаваемый водонапорной башней hБ и трубопроводы к потребителям с параметрами l1, d1, l2, d2. На основании формулы (6.8) можно определить потери напора по длине в магистрали (от водонапорной башни до точки A) и в каждом из ответвлений: для магистрали hl z Б hБ z A hA Q 2 для ответвлений hl1 z А hА z1 h1 Q1 2 hl 2 z А hА z2 h2 Q2 l K2 (6.12) l1 2 K1 (6.13) 2 l2 . 2 K2 (6.14) Кроме того, для точки разветвления мы имеем уравнение Q = Q1 + Q2 (6.15) Все эти четыре уравнения являются исходными для расчета тупиковой водопроводной сети. Кольцевая сеть состоит из замкнутых колец и магистралей, присоединенных к водонапорной башне или резервуару. Рассмотрим простейший случай расчета такой сети, состоящей из магистрального трубопровода А — В и одного кольца В — 66 1— 2 —3 — 4 —В (рис. 6.5). Расход, забираемый в точках 1, 2, 3, 4, обозначим соответственно через Q1 , Q2 , Q3 , Q4 . Рис. 6.5. Схема к расчету кольцевой сети На основании топографических данных, длины участков трубопровода, диаметра труб задаемся направлением движения воды по кольцу и нулевой (раздельной) точкой сети. Нулевая точка выбирается таким образом, чтобы потери напора в ветвях слева и справа от нее были одинаковыми. Далее, так же как при расчете тупиковой сети, определяем диаметр труб и подсчитываем потери напора на каждом участке по левой и правой сторонам кольца. Если нулевая точка О выбрана правильно, то сумма потерь напора по левой и правой сторонам кольца должна быть одинаковой, т. е. h0-2 + h2-1 + h1-B = h0-3 + h3-4 + h4-B, (6.16) где h0-2 , h2-1 …, h4-B потери напора по длине на соответствующем участке. Если это условие не выполняется, то расчет следует продолжать до тех пор, пока не будет получено равенство потерь напора в двух рассматриваемых разомкнутых сетях. 6.5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В ТРУБОПРОВОДАХ. ФОРМУЛА Н. Е. ЖУКОВСКОГО Гидравлический удар — явление, связанное с резким изменением (повышением или понижением) давления в напорном трубопроводе при быстром изменении (торможении или ускорении) скорости движения жидкости в нем. К возникновению гидравлического удара могут привести мгновенное закрытие или открытие запорных устройств, внезапная остановка и пуск насоса и т. д. Повышение давления при этом может вызвать разрушение трубопровода. С выяснения причин аварий на линиях московского водопровода, построенных в конце ХТХ в., начал изучать данное явление Н. Е. Жуковский, что привело к созданию специальной теории. Эти исследования показали, что гидравлический удар объясняется возникновением и распространением ударной волны вследствие сжатия воды и расширения стенок трубопровода. 67 Рассмотрим явление гидравлического удара на примере простого трубопровода, соединенного с резервуаром. По трубопроводу протекает вода со скоростью υ. На расстоянии l от входного сечения расположена задвижка, которую можно мгновенно закрывать и открывать. При ее мгновенном закрытии сразу остановятся те частицы жидкости, которые соприкасаются с поверхностью задвижки, затем ближайший к ним слой жидкости. Произойдет мгновенное сжатие последнего и, как следствие, повысится давление, которое называется ударным. Затем остановится и сожмется следующий слой жидкости и в нем увеличится давление и т. д. Пусть за интервал времени Δt ударное' давление достигнет резервуара, тогда скорость распространения этого давления с = l / t . (6.17) В результате сжатия частицы жидкости в трубопроводе будут обладать большей энергией, чем находящиеся в резервуаре, и станут перемещаться в его сторону. Затем под действием давления жидкости начнется ее движение от резервуара к задвижке, т. е. пройдет новая волна сжатия. Таким образом, жидкость в трубопроводе будет совершать затухающее (вследствие трения, упругости стенок трубопровода и т. д.) колебательное движение. В действительности гидравлический удар явление сложное. Мы ограничимся определением повышения давления Δр. Применим теорему об изменении количества движения. У задвижки за время dt остановится объем жидкости длиной dl вследствие воздействия на него возникающего повышенного давления. Тогда изменение количества движения остановившейся массы жидкости запишется следующим образом: КD d 2 4 dl K (6.18) где υ начальная скорость; υK — конечная скорость, υK = 0. Изменение количества движения согласно данной теореме равно импульсу силы, развиваемой давлением, т. е. d 2 4 dl p d 2 4 dt , или р где dl , dt (6.19) dl — скорость распространения ударной волны. dt Тогда повышение давления при гидравлическом ударе р с. (6.20) 68 Формула предложена Н. Е. Жуковским для определения величины гидравлического удара, она показывает, что данная величина зависит от начальной скорости жидкости в трубопроводе и от скорости распространения ударной волны, которая определяется по формуле с Е0 , 1 Е0 d / E (6.20’) где E0 — модуль объемной упругости жидкости, для воды Е0 = 1,96 х 109 Па; d — диаметр трубы; Е — модуль упругости материала стенок трубопровода (для стали Е = 1,96 . 1011 Па); δ — толщина стенок трубопровода. Из формулы (6.20') видно, что гидравлический удар более опасен в трубопроводах с малым диаметром и низкой эластичностью материала труб. Для предохранения трубопровода от отрицательного воздействия гидравлического удара следует не допускать быстрого закрытия задвижек или применять дополнительные противоударные устройства в виде демпфирующих воздушных колпаков, уравнительных резервуаров. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. По каким признакам классифицируются трубопроводы? 2. Что называется расходной характеристикой и удельным сопротивлением трубопровода? 3. В чем заключается расчет напорного трубопровода? 4. Каковы причины возникновения гидравлического удара? 5. Что определяется по формуле Н. Е. Жуковского? 69 7. ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ И НАСАДКИ 7.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ И РАСХОДА ЖИДКОСТИ ПРИ ЕЕ ИСТЕЧЕНИИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ ПРИ ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ НАПОРЕ Задача об истечении жидкости через отверстия — одна из основных в гидравлике — сводится к определению скорости истечения и расхода вытекающей жидкости. В зависимости от размеров и формы различают малые и большие отверстия в тонкой и толстой стенках. В соответствии с расположением отверстий и условиями протекания жидкости выделяют совершенное и несовершенное, полное и неполное сжатие струи, истечение из затопленного и незатопленного отверстия при постоянном и переменном напоре. Малым называется такое отверстие, у которого поперечный размер а менее 0,1Н (где Н — действующий напор). Большим считается такое отверстие, у которого поперечный размер а более 0,1Н (при круглом отверстии а = d). Совершенное сжатие отмечается тогда, когда боковые стенки и дно резервуара не влияют на истечение жидкости, т. е. удалены от отверстия на расстояние, превышающее утроенный поперечный размер отверстия (l > За). Сжатие будет несовершенным, когда одна из боковых или несколько стенок резервуара будут удалены от отверстия на расстояние меньше утроенного поперечного размера отверстия. Сжатие струи может быть полным (по всему периметру) и неполным, если отверстие частью периметра совпадает с боковыми стенками или дном резервуара. Отверстие считается незатопленным, если истечение жидкости происходит в атмосферу. Отверстие называют затопленным, если истечение происходит не в атмосферу, а под уровень жидкости. Сначала рассмотрим истечение жидкости через малое незатопленное отверстие в тонкой стенке. Для определения скорости истечения и расхода жидкости составим уравнение Бернулли для сечений 1 — 1 и 2 — 2 относительно плоскости сравнения 0 — 0, проходящей через центр отверстия и сжатого сечения струи (рис. 7.1). H+ pa 02 2g pa 2 2g + hw. (7.1) (7.1) Потери напора в данном случае представляют собой местные потери на входе в отверстие, т.е. hw ВХ 2 2g , 70 тогда Н 02 2g 1 ВХ 2 2g . (7.2) Решив это уравнение относительно скорости истечения υ, получим 1 1 ВХ 02 , 2 g H 2 g (7.3) обозначив 1 02 , и Н0 Н 2g 1 ВХ окончательно находим 2 gH 0 , (7.4) где — коэффициент скорости (для отверстия в тонкой стенке φ =0,97). Обычно площадь резервуара намного больше площади отверстия со, поэтому скорость υ0 практически незначительна и ею можно пренебречь. Тогда формула (7.4) примет простой вид: 2gH . (7.4') Расход жидкости в сжатом сечении можно определить из уравнения неразрывности Q сж , (7.5) но практически удобнее пользоваться вместо ωсж площадью отверстия ω, между которыми есть связь ωсж = εω, где ε — коэффициент сжатия, для малых отверстий равный 0,60...0,64. Таким образом, можно записать: Q 2gH . Обозначив , получим Q 2gH , (7.6) (7.7) где μ — коэффициент расхода. На основании опытов установлено, что для малого отверстия в тонкой стенке μ, колеблется от 0,59 до 0,63, или в среднем μ = 0,61. При истечении жидкости через большое отверстие прямоугольной формы (рис. 7.2) скорость движения по его высоте а будет различна, поэтому сначала найдем расход через малое отверстие высотой dh на глубине h под свободной поверхностью жидкости и шириной b, в котором скорость можно считать одинаковой: 71 dQ= bdh 2 gh . Расход через большое отверстие составит: H2 (7.8) 1 Q b 2 g h 2 dh, (7.9) H1 или 3 3 2 2 2 Q = b 2 g H 2 H1 . 3 (7.10) Составим формулу исходя из условия равенства уменьшения объема жидкости в резервуаре и объема истечения: dt 2 ghdt , (7.11) где знак «минус» в левой части означает уменьшение объема жидкости в резервуаре; Ω— площадь сечения резервуара; dh — изменение уровня воды за время dt. Решив (7.11) относительно dt, получим dt = dh . 2gh Проинтегрируем это выражение: dh H 2 12 t h dh 2 gh 2 g H1 H1 H2 и окончательно имеем: t 2 H1 H 2 . 2 g (7.12) Время полного опорожнения резервуара, т. е. Н2 = 0 и Н1 = Н, будет: t 2 H . 2 g (7.13) Время истечения того же объема при постоянном напоре, т. е. Н = const, t W H t 2 gH H H , H 2 g (7.14) где W — объем жидкости в резервуаре. При сравнении формул (7.12) и (7.13) видим, что время истечения одного и того же объема жидкости при переменном напоре в 2 раза больше, чем при постоянном. 72 7.2. НАЗНАЧЕНИЕ НАСАДКОВ И ИХ ВИДЫ. ПРИМЕНЕНИЕ НАСАДКОВ В ТЕХНИКЕ С целью повышения пропускной способности отверстия, уменьшения или увеличения кинетической энергии вытекающей струи применяют насадки (рис. 7.3). Насадками называются короткие трубы длиной, равной 3 — 4 диаметрам, присоединенные к отверстию в тонкой стенке какого-либо резервуара. Они бывают трех типов: цилиндрические внешние (рис. 7.3, а) и внутренние (рис. 7.3, б), конически расходящиеся (рис. 7.3. в) и сходящиеся (рис. 7.3, г) и коноидальные (рис. 7.3, д). Все насадки, как и отверстия, могут работать в затопленном и незатопленном режиме, истечение жидкости через них возможно как при постоянном, так и при переменном напоре. Расход для всех типов насадков определяется по тем же зависимостям, что и для отверстии в тонкой стенке, т. е. для незатопленных при постоянном напоре, Q 2 gH 0 , где Н0 — напор над центром тяжести выходного отверстия с учетом скорости подхода; — коэффициент расхода, зависящий от типа насадка; а для затопленных при постоянном напоре Q 2 gz0 , где z0 — разность уровней верхнего и нижнего бьефов с учетом скорости подхода. Внешний цилиндрический насадок (насадок Вентури). Струя жидкости после входа в такой насадок сжимается по периметру, образуя сжатое сечение. Между стенкой насадка и транзитной струей образуется кольцевая вихревая водоворотная зона. Находящийся в ней воздух быстро уносится этой струей, давление понижается, и образуется вакуум. Значение вакуума по длине водоворотной зоны изменяется, достигая максимального уровня в сжатом сечении. Для определения величины вакуума в данном сечении насадка составим уравнение Бернулли для сжатого и выходного сечений: 73 pc c2 2g p0 2 2g 2 2g . (7.15) (Ввиду незначительной длины насадка потерями на трение по длине между рассматриваемыми сечениями пренебрегаем. Из зависимости (7.15) имеем hвак р0 рс с2 2 2 2g Учитывая, что Q cc или c . (7.16) , c получим hвак 2 / 2 2 2 2g 2 1 2 1 , 2g (7.17) или с учетом выражения (7.4') hвак 2 2 gH 1 2 1 2 1 2 1 H . 2g (7.17') Подставив в формулу (7.17') значения входящих в нее коэффициентов φ, ε, ξ, для внешнего цилиндрического насадка, получим максимальное значение вакуума в сжатом сечении hвак = 0,75H, но не более 8 м. При hвак > 8 м начинается прорыв воздуха через выходное сечение, жидкость частично или полностью отрывается от стенок, происходит срыв вакуума, коэффициент расхода уменьшается и насадок теряет свои преимущества в пропускной способности. Образование вакуума характерно для всех насадков, за исключением коноидального. Внутренний цилиндрический насадок (насадок Борда). Этот насадок условием протекания жидкости через него похож на внешний цилиндрический. Отличие заключается лишь в большем сопротивлении при входе в насадок. Конически сходящийся насадок имеет форму усеченного конуса, суживающегося по направлению выходного сечения, причем с. изменением угла конусности β изменяются и коэффициенты φ, е, μ. Так, при угле β = 13° 24' коэффициент расхода и. достигает максимального значения 0,94, а затем уменьшается с увеличением β. Коэффициент скорости φ непрерывно растет с увеличением угла конусности и при β = 49° составляет 0,98. При угле конусности β = 13° 24' потери на расширение струи после сжатия ничтожны, так как в этом случае площади в сжатом и выходном сечении примерно равны. При увеличении β сжатие на выходе из насадка увеличивается, а коэффициенты сжатия ε и расхода μ уменьшаются. Вытекающая из конически сходящегося насадка струя характеризуется большой кинетической энергией. 74 Конически расходящийся насадок способствует отрыву потока от стенок насадка, поэтому величина вакуума, возникающего в сжатом сечении, больше, чем в аналогичном сечении внешнего цилиндрического насадка. С увеличением угла конусности возрастает и значение вакуума в сжатом сечении. В связи с этим, чтобы не было срыва вакуума, угол конусности расходящегося насадка принимают в пределах 5...7°. В коноидальных насадках вход выполняют по форме вытекающей через отверстия струи, а выход — цилиндрическим. За счет такой формы сжатие струи отсутствует, ε = 1 и коэффициенты φ = μ = 0,98. 7.3. ПОНЯТИЕ О ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СТРУЕ. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ СВОБОДНОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ Гидравлической струей называется поток жидкости, не имеющий твердых границ. Гидравлические струи могут быть незатопленными и затопленными. Незатоплеиной называется струя, которая движется в газовой, например воздушной, среде (струи дождевальных и пожарных установок, гидромониторов, фонтанов). Затопленная гидравлическая струя движется в среде той же плотности, что и сама струя (сброс воды из тепловых или атомных электростанций в пруды-охладители). Различают также свободные и несвободные гидравлические струи. Свободной называется струя, которая движется в неограниченном пространстве, а несвободной — в присутствии стенок в ограниченном пространстве. Уравнение движения свободной струи жидкости, вытекающей из насадка, можно записать следующим образом: gx 2 y xtg 2 , 2 cos (7.18) где у — высота падения струи; х — дальность ее падения; Θ— угол между направлением истечения и осью абсцисс (рис. 7.4); υ — начальная скорость истечения. При 0 = 0 получаем координаты осевой линии струи жидкости, вытекающей из малого вертикального отверстия в тонкой стенке: gx 2 y 2. 2 (7.18) Свободная струя жидкости, направленная вертикально вверх с начальной скоростью υ, без учета сопротивления воздуха, сложных колебательных явлений, 75 приводящих к раздроблению и в дальнейшем к распылению струи, поднимется на высоту hT 2 2g . (7.19) В незатопленных свободных струях различают компактную, раздробленную и распыленную части. Компактная имеет форму отверстия, из которого она вытекает, чаще всего цилиндрическую или близкую в ней. В раздробленной части происходит дробление струи на отдельные крупные частицы. Распыленная часть струи состоит из отдельных мельчайших частиц жидкости. Высота вертикальной струи hc, включая распыленную часть, всегда меньше напора Н на величину его потерь Δh: hc H h; (7.20) hc 2 h k , d 2g (7.21) где k — коэффициент, получаемый опытным путем; d — диаметр насадка. Подставив в уравнение (7.20) значение Δh и H hc k 2 2 2g 2 H , получим hc H . d (7.22) k 2 Обозначив k1 , найдем: d hc H , 1 k1H (7.23) где k1 — коэффициент, вычисляемый для гидравлических струй по формуле k1 0,00025 . d 10000d 3 (7.24) Высоту компактной части струи можно определить по уравнению hК hc , где (7.25) hК - коэффициент, зависящий от высоты струи. hc Дальность полета струи l можно определить по эмпирической формуле Н. П. Гавырина: l 0,415 dH 2 , (7.26) 76 где Θ — угол наклона струи к горизонту; d — диаметр насадка; H — напор на выходе из насадка. Дальность полета дождевальной струи l при наклоне ее к горизонту на угол Θ = 32°, наиболее характерный для дождевальных установок, можно определить по формуле Ф. И. Пикалова: l 0,42H 1000d . Уравнение (7.27) справедливо при метрах. (7.27) H 1 000, где H и d выражают в d В затопленных свободных струях, вытекающих из насадков в жидкую неподвижную среду той же плотности, различают ядро струи, начальный и основной участки (рис. 7.5). За начальным сечением образуется ядро струи, сужающееся до нуля в пределах начального участка, длину которого можно определить по формуле Г. П. Абрамовича: хН 0,67 r0 , a (7.28) где а — константа, равная 0,07...0,08; r0 — радиус насадка. Между ядром и внешними границами струи образуется турбулентный пограничный слой, скорость в котором уменьшается от оси к границе струи. Угол расширения струи = 13° 20'...15° 10'. Точку пересечения 0 внешних границ струи называют полюсом струи, который находится от начального сечения на расстоянии x0, определяемом для круглой струи по формуле Г. П. Абрамовича: x0 0,29 r0 . a (7.29) 77 За начальным участком следует основной участок струи, который состоит полностью из пограничного слоя. Скорость umах в нем уменьшается при удалении от начального сечения: umax 0,96 u0 . ax 0,29r0 (7.30) Радиус струи в сечении х: ax r 3,4 1r0 . r0 (7.31) Струя, вытекающая из отверстия или насадка, оказывает динамическое воздействие с силой Р на преграду, встречающуюся на ее пути. Для определения этой силы применим уравнение изменения количества движения для массы жидкости, ограниченной сечениями 0-0, 1-1 и 2-2 (рис. 7.6). При этом принимаем коэффициент количества движения α = 1 и пренебрегаем влиянием трения и пульсационных скоростей. Сила воздействия Р струи на преграду равна силе воздействия R преграды на струю по значению и противоположна по направлению: Р cos 3 m00 m11 cos 1 m22 cos 2 . (7.32) При ударе в плоскую поверхность, расположенную к направлению струи под углом 90°, cos Θ1 = cos Θ2 = 0; cos Θ3= 1, Р = m00 002 . (7.33) Из опытов следует, что сила воздействия Р струи на преграду в действительности составляет 92...95 % от теоретической. Это объясняется искривлением линий тока при растекании струи. Если плоская поверхность движется в направлении действия струи со скоростью и, то в этом случае Р = 00 0 u . (7.33’) Если плоская поверхность движется навстречу струе со скоростью и, то Р = 00 0 u . (7.34) Для криволинейных поверхностей при углах 90° < Θ1 = Θ2 = Θ ≤ 180° возрастает сила давления струи (рис. 7.7): Р m00 2m11 cos m00 (1 cos ). (7.35) 78 Рис. 7.7. Взаимодействие струи с криволинейной стенкой: а – Θ1= Θ2 > 900; б – Θ1 = Θ2 = 1800. При угле Θ = 180° сила давления струи становится наибольшей: Р = m0 υ0 + 2m1υ1= 2m0υ0 = 2ρωυ02 , (7.36) т. е. сила давления струи на криволинейную поверхность, изогнутую в обратную сторону, в два раза больше силы давления струи на плоскую поверхность. Это явление используется при проектировании лопастей гидравлических машин. 7.4. ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В КАНАЛАХ И ВОДОВОДАХ Особенность движения жидкости в каналах и безнапорных водоводах состоит в том, что оно безнапорное (свободная поверхность потока соприкасается с атмосферой) и равномерное (живые сечения, средняя и местная скорости движения потока одинаковы). Такие каналы бывают прямоугольного (рис. 7.8, а), трапецеидального (рис. 7.8, б), полукруглого (рис. 7.8, в) и параболического (рис. 7.8, г) сечений. Каналы и безнапорные водоводы применяют в различных отраслях: сельском хозяйcтве, гидроэнергетике, водном транспорте, в промышленности. Многие каналы и водоводы имеют комплексное назначение. Водоводы выполняются замкнутыми и имеют стандартные профили круглого (рис. 7.9, а), шатровщго (рис. 7.9, б), овоидального (рис. 7.9, в) и лоткового (рис. 7.9, г) сечений. 79 При гидравлическом расчете каналов встречаются три основных типа задач. 1. Определить расход Q и среднюю скорость υ при заданном уклоне дна и принятом поперечном сечении канала (ширина канала по дну b, глубина наполнения h, заложение откосов т, шероховатость п). Задача решается прямой подстановкой вычисленных ω, R и С в формулы Q = С Ri ; C Ri , (7.37) где ω — площадь живого сечения канала для трапецеидального сечения; ω = (b + mh)h; i — уклон дна канала; R — гидравлический радиус, R = (χ - смоченный периметр для трапецеидального сечения, χ = b + 2h 1 m ); С — 2 коэффициент Шези, C = 1 y 1 1 R , или C = R 6 , п — шероховатость. n n 2. Вычислить уклон дна канала i при заданных расходе Q, ширине канала по дну b, глубине наполнения h, заложении откосов т и шероховатости п. Эта задача также решается прямой подстановкой вычисленных величин ω, R, С в формулу i Q . 2 R 2C 2 (7.38) При этом необходимо выполнить условие imin i imax ; imax 2 доп С 2R ; imin (7.39) 2 нез С 2R , (7.40) где υдоп — допускаемая неразмывающая скорость — наибольшее значение средней скорости потока, при которой не происходит размыва ложа канала; υнез — незаиляющая скорость — наименьшее значение средней скорости потока, при которой не происходит заиления ложа канала. 80 3. Определить размеры сечения канала (ширину по дну b и глубину наполнения h ) при известных расходе Q, уклоне i, шероховатости п и заложении откосов т. Это наиболее широко распространенная схема расчета. Так как расчетное уравнение одно: Q = С Ri , а требуется найти два неизвестных, то необходимо дополнительно составить еще одно уравнение. Им может стать формула связи между b и h: b h , причем можно задаться такими величинами b и h, при которых канал будет пропускать при прочих равных условиях наибольший расход. Такое сечение канала является гидравлически наивыгоднейшим, или иначе — при одинаковых расходе, уклоне дна, шероховатости гидравлически наивыгоднейший канал имеет наименьшую площадь живого сечения ω. Например, для канала трапецеидального сечения Г .Н . 2 1 m2 m . При этом могут встретиться два варианта решения задачи. 3.1. Задаем значение b и определяем соответствующее условиям задачи h. Используем метод подбора, т. е. назначаем последовательно ряд значений глубины h и вычисляем отвечающие им расходы Q до тех пор, пока не получим требуемого значения. Соответствующая этому расходу глубина h будет искомой. Поставленную задачу можно решить графоаналитически. Задав ряд значений глубины, определяют отвечающие им расходы и строят график зависимости Q = f(h). Отложив на оси требуемый расход, устанавливают по графику искомую глубину наполнения канала h. 3.2. Задаем глубину h и находим соответствующее значение ширины канала по дну b. Расчет можно произвести, как в предыдущем случае, аналитически и графоаналитически. При первом способе берем ряд значений b и повторяем расчет канала до тех пор, пока получаемый расход не станет равен требуемому, при этом ширина b будет искомой. При графоаналитическом методе строится график зависимости Q = f(b), т. е. по ряду значений b находят соответствующий им расход и строят график. Затем определяют искомую ширину канала по дну b. Могут встретиться и промежуточные виды задач, которые легко приводятся к одному из рассмотренных случаев. При расчете безнапорных водоводов любого профиля решаются те же задачи, что и для открытых каналов, а именно: определение расхода Q, уклона i, размеров сечения. 7.5. ПОНЯТИЕ О ФИЛЬТРАЦИИ. ОСНОВНОЙ ЗАКОН ФИЛЬТРАЦИИ Фильтрацией называется движение жидкости (в частности, воды) в пористой среде. Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность земли, просачиваются 81 вглубь, заполняя поры между частицами грунта, и образуют потоки грунтовых вод, передвигающиеся под действием сил тяжести. Потоки грунтовых вод называют фильтрационными. Движение подобного потока может быть равномерным и неравномерным, напорным и безнапорным. Равномерным движением фильтрационного потока называется такое, при котором уклон свободной его поверхности / равен уклону подстилающего водонепроницаемого слоя i, и наоборот, при i ≠ I оно будет неравномерным. Движение фильтрационного потока считается безнапорным, если жидкость перемещается по наклонному непроницаемому пласту (водоупору) с образованием свободной поверхности, называемой депрессионной, давление на которой равно атмосферному; напорным, если жидкость заключена между двумя непроницаемыми пластами без образования свободной поверхности. Как всякий поток, фильтрационный, характеризуется расходом Q, скоростью υ, уклоном дна i, уклоном свободной поверхности I и поперечным сечением ω. Количество воды, проходящее через живое сечение пористой среды за единицу времени, называют фильтрационным расходом Q. Отношение расхода Q к площади живого сечения ω пористой среды именуют скоростью фильтрации υ. Здесь уместно заметить, что последняя меньше истинной скорости движения жидкости в порах грунта, т. е. υ - фиктивная скорость движения фильтрационного потока. Основная задача практических расчетов фильтрации — это определение скорости фильтрации υ и расхода фильтрационного потока Q. В 1866 г. французский ученый А. Дарси на базе анализа экспериментальных исследований открыл основной закон фильтрации: υ= kI, (7.41) где υ — скорость фильтрации; k — коэффициент фильтрации; I — градиент фильтрации, или пьезометрический уклон фильтрационного потока. Коэффициент фильтрации k имеет размерность скорости, характеризует водопроницаемость грунта и зависит от размера и формы частиц грунта, степени их однородности и пористости, температуры жидкости. Фильтрационный расход можно определить по формуле Q = =k/ω, (7.42) где ω — площадь живого сечения фильтрационного потока. Формулы (7.41) и (7.42) позволяют решать многочисленные задачи в области фильтрации. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Как классифицируются отверстия? 2. Как определить скорость и расход при истечении жидкости из малого отверстия в тонкой стенке? 3. Назовите типы насадков. 4. Для чего применяются насадки? 5. Назовите части незатопленной свободной гидравлической струи. 82 8. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ. НАСОСЫ 8.1. ПОНЯТИЕ О ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАШИНАХ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ Гидравлическими называются машины, которые сообщают энергию жидкости (насосы) или получают энергию от жидкости (гидродвигатели) при протекании последней через полости рабочих органов машины. Насосы и гидродвигатели — основные элементы всех видов гидропривода, назначение которого состоит в передаче энергии к исполнительному рабочему органу и управлении его движением посредством жидкости. Насос сообщает энергию жидкости, которая поступает по гидролиниям к гидродвигателю и осуществляет привод исполнительного органа. Средствами подачи жидкости называют машины и устройства, обеспечивающие повышение удельной энергии капельной жидкости. Удельная энергия жидкости содержит три компонента: p 2 Ez , g 2 g где z — удельная энергия положения; р/ρg - удельная энергия давления; υ2/2g — удельная кинетическая энергия. Тогда средства подачи жидкости могут быть подразделены в зависимости от того, какую составляющую удельной энергии они изменяют. Если механизм воздействует только на высотное положение жидкости, т. е. изменяется z, то он называется водоподъемником (воздушные, ленточные, шнуровые). Гидромашины, сообщающие удельную энергию жидкости посредством создания давления в рабочей камере, т. е. через повышение удельной энергии давления р/рд, или путем придания жидкости значительных скоростей посредством вращающегося рабочего колеса, т. е. через повышение удельной кинетической энергии υ2/2g, называются насосами. Они обеспечивают создание потока жидкой среды и могут нагнетать жидкость по напорному трубопроводу. Классификация. Выделяют 2 основные группы насосов: лопастные и объемные. Лопастные насосы создают поток жидкости с помощью вращающегося лопастного рабочего колеса, сообщающего ей кинетическую энергию, трансформируемую в энергию давления. В этих насосах области всасывания и нагнетания не разграничены. Повышение удельной энергии жидкости происходит постепенно в процессе ее перемещения из области всасывания в область нагнетания. К лопастным насосам относятся центробежные, осевые и диагональные. Объемные насосы перемещают жидкую среду по принципу механического периодического вытеснения жидкости рабочим телом, создающим в процессе перемещения определенное давление на нее. К ним относят поршневые насосы, в которых вытесняющий жидкость поршень или плунжер совершает возвратно83 поступательное движение, и роторные — с вращательным и возвратнопоступательным движением рабочего органа. Выделяют также насосы трения с твердым или жидким рабочим телом, в которых жидкая среда перемещается за счет передачи ей энергии под действием силы трения. К данной группе относятся вихревые, в которых рабочий орган колесо с лопатками, и струйные насосы, где перемещение осуществляется под действием потока жидкости или газа. 8.2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО И ОБЪЕМНОГО НАСОСОВ Принципиальная схема центробежного насоса представлена на рис. 8.1. Рабочее колесо 3 насоса несет лопасти 2, заключенные между дисками 7. Спиральный корпус 1 переходит в напорный патрубок, на котором монтируется задвижка 5, перекрывающая выход в напорный трубопровод 6. К центральной части рабочего колеса примыкает (с небольшим зазором) входной (всасывающий) патрубок 8, к которому присоединяется всасывающая труба 9, оканчивающаяся приемной сеткой 10 с обратным клапаном. Перед пуском полости насоса и всасывающей линии заполняются жидкостью через горловину 4. При вращении рабочего колеса 3 с постоянной частотой жидкость непрерывно движется по каналам колеса, образованным лопастями 2, которые сообщают протекающей жидкости энергию — давление и значительную скорость. При выходе жидкости в спиральный корпус 1 ее скорость постепенно уменьшается в связи с расширением сечения корпуса и достигает нормальных величин вблизи напорного трубопровода б. При уменьшении скорости повышается давление, которое обеспечивает подачу жидкости. В процессе работы насоса на входе в рабочее колесо 3 создается вакуум вследствие отвода жидкости. Под действием этого вакуума на рабочее колесо 3 непрерывно поступает жидкость через всасывающую линию и входной патрубок. Рассмотренная схема характеризует самый простой центробежный насос консольного типа. Основная деталь этого насоса — поршень 4, перемещающийся в цилиндре 5. Наружная поверхность поршня 4 плотно прилегает к хорошо обработанной внутренней поверхности цилиндра 5. Возвратно-поступательное движение поршня 4 совершается под воздействием кривошипно-шатунного механизма (7, 8 и 9), воздействующего на шток 6. Рабочая камера 2 сообщается с цилиндром 5, через всасывающий клапан кв — с всасывающей линией 1, а через нагнетательный клапан кн — с напорной линией 3. При движении поршня 4 вправо рабочая камера 2 заполняется через всасывающую линию 1 и открывшийся всасывающий клапан. При движении поршня 4 влево жидкости сообщается давление, всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный — открывается, и она вытесняется в напорный трубопровод. 84 Рис. 8.1. Схема центробежного насоса Принципиальная схема наиболее простого объёмного насоса – поршневого насоса простого (одинарного) действия представлена на рис. 8.2. Рис. 8.2. Схема поршневого насоса одинарного действия 85 8.3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАСОСОВ. БАЛАНС ЭНЕРГИИ В НАСОСЕ Основные показатели. Основные рабочие параметры насоса — напор, подача, мощность и КПД. Напором насоса Н называется удельная энергия, сообщаемая насосом жидкости. Под удельной понимается энергия, отнесенная к единице веса жидкости. Размерность удельной жидкости линейная, поэтому напор, как правило, выражается в метрах столба перекачиваемой жидкости. Подачей насоса Q называется объем жидкости, подаваемой насосом в единицу времени, м3/ч, л/с и т. п. Это понятие совпадает с понятием расхода жидкости. Мощность насоса N — это мощность, им потребляемая. Полезной мощностью называют количество энергии, сообщаемое насосом в единицу времени жидкости, подаваемой в трубопровод: NП = ρgQH. Тогда N (8.1) NП gQH где η — КПД насоса. Потребная мощность двигателя для привода насоса N дв К N пер К gQH , пер (8.2) где К — коэффициент запаса мощности (К = 1,05...1,3); ηпер - КПД передачи. В случае непосредственного соединения двигателя и насоса ηпер = 1. КПД насоса N П / N. (8.3) Баланс энергии в насосе. Основная часть мощности насоса при его работе передается жидкости в виде полезной мощности NП, остальная часть — N - NП теряется (превращается в тепло) в процессе работы. Обозначим мощность, идущую на преодоление механических сопротивлений, Nмех. Она расходуется на трение в подшипниках, сальниках (уплотнениях вала) и на трение наружной поверхности рабочих колес о жидкость. Мощность (N - Nмех) будет передана жидкости, протекающей через рабочее колесо. Ее называют гидравлической мощностью NГ Она обеспечивает расход, протекающий через рабочее колесо, теоретический расход QT и сообщает этой жидкости теоретическую удельную энергию Нт (теоретический напор). Гидравлическая мощность NГ = ρgНTQT. (8.4) 86 Механические потери оценивают механическим КПД насоса: мех N N мех N Г . N N (8.5) Часть расхода, протекающего через рабочее колесо, теряется на утечки в неплотностях насоса, называемые объемными потерями ΔQ. Тогда Qт = Q - ΔQ. Объемные потери оценивают объемным КПД насоса Q N Г NQ NU N' , NГ (8.6) где NQ — мощность, затрачиваемая на объемные потери; N' — мощность насоса за вычетом мощности, идущей на объемные потери. NQ gHT Q, a N' = ρgHTQ. Тогда Q gHT Q Q . gHT QT QT (8.7) Третий вид потерь мощности насоса — потери на преодоление гидравлических сопротивлений в нем. Полезный напор меньше теоретического на величину потерь: Н = НT -ΔH. Гидравлические потери оцениваются гидравлическим КПД насоса, который равен отношению его полезной мощности к сумме полезной мощности и мощности, затраченной на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе: Г NT , NП N '' где N" мощность, теряемая на преодоление гидравлических сопротивлений, N" = ρgΔHQ. Тогда Г gQH gQH H H . HT (8.8) Полный КПД насоса η = NП/N. Умножив и разделив правую часть этого равенства на величины NГ и N', получим NП N ' NГ ГQ МЕХ , N' NГ N (8.9) т. е. коэффициент полезного действия насоса равен произведению гидравлического, объемного и механического КПД. 87 8.4. УСТРОЙСТВО НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ. ПОТРЕБНЫЙ НАПОР НАСОСА Схема насосной установки представлена на рис. 8.3. Насос 7, приводимый в движение электродвигателем 6, забирает воду из резервуара 1 через приемную сетку 13 и всасывающую линию 12 и подает ее по напорному трубопроводу 3 в резервуар 2. На всасывающей линии 12 установлены задвижка 11, вакуумметр 9 и обратный клапан 14, а на напорной линии — манометр 5 и задвижка 8. Иногда на нагнетательной линии устанавливаются также обратный клапан 10 и расходомер 4. Высота Hs от уровня жидкости в резервуаре 1 до центра сечения I — I (до оси насоса) называется высотой всасывания насоса; высота НГ от уровня 0 - 0 до III - III в верхнем резервуаре — геометрическим напором; высота Hd от сечения II —II (от выхода из напорного патрубка) до уровня III - III — высотой нагнетания насоса. Для забора воды из резервуара 1 и подачи ее в резервуар 2 насос должен сообщить жидкости энергию, достаточную для преодоления разности давления р" р' в резервуарах, подъема жидкости на высоту НГ и преодоления гидравлических потерь в напорном и всасывающем трубопроводах hw . Потребный напор насоса, т. е. энергия, необходимая для подачи единицы веса жидкости данной установкой, выразится так: H потр Н Г где Нст = НГ + p' ' p' hw H СТ рW , g (8.10) p ' ' p ' - статический напор установки. g Рис.8.3. Схема насосной установки 88 Какой напор развивает насос при работе на данной установке, можно определить по показаниям приборов (манометра, вакуумметра). Напор насоса — это удельная энергия, передаваемая им жидкости, т. е. Н = Е2-Е1, (8.11) где Е1 и Е2 — соответственно полная удельная энергия жидкости в сечениях I —I и II —II (на входе в насос и на выходе из него). Запишем значения E1 и Е2 относительно плоскости сравнения О — О, выделенной на поверхности жидкости в нижнем резервуаре. Соответственно имеем: p1 112 Е1 Н S ; g 2 g p2 222 Е2 Н S z ; g 2 g где р1 и р2 — давление соответственно в сечениях I — I и II — II; υ1 и υ2 — скорость в указанных сечениях; z — превышение центра сечения I —I над центром сечения II — II; α1 и α2 — коэффициенты скорости соответственно в сечениях I — I и II — II; Hs — геометрическая высота всасывания. Из полученных выражений, принимая 1 2 1, получаем р2 р1 22 12 Н z . g 2g (8.12) Полагая, что в сечении I — I имеется вакуум, найдем значение давления: p1 pат рВ , где рат — атмосферное давление; рв — показания вакуумметра. Давление р2 выразим через показания манометра: р2 рМ рат gzМ , где член pgzM учитывает высоту установки манометра. Подставив полученные выражения абсолютных давлений, определим напор: pM p B 22 12 H z zM g 2g (8.13) это формула напора, развиваемого насосом на данной установке. Очень часто скорость 1 2 , а величина z + zM мала, тогда уравнение (8.13) запишется в виде 89 H pM p B . g (8.14) 8.5. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ Рассмотрим вывод основного уравнения лопастных насосов на примере центробежного насоса. При вращении рабочего колеса частица жидкости участвует в двух движениях: переносном — вращается вместе с рабочим колесом — и относительном — движется вдоль лопаток относительно рабочего колеса. Абсолютное движение частицы, представляющее сумму его указанных составляющих, совершается по траектории, обозначенной пунктирной линией (рис. 8.4). Рассматривая движение жидкости внутри рабочего колеса, сделаем допущение, что число лопастей бесконечно велико, а толщина их бесконечно мала. Тогда можно считать, что весь поток внутри рабочего колеса состоит из одинаковых элементарных струек, а их движение является установившимся. Относительная скорость в таком потоке направлена по касательной к поверхности лопатки в рассматриваемой точке, и величина ее определяется условием неразрывности потока, движущегося внутри канала рабочего колеса. Рис. 8.4. Схема движения жидкости внутри рабочего колеса центробежного насоса: а – для потока; б – для элементарной струйки При входе на лопатку рабочего колеса частица М жидкости обладает 1 , вектор которой слагается из двух составляющих: вектора окружной скорости u1 (переносной) и вектора относительной абсолютной скоростью 90 скорости 1. Окружная скорость направлена по касательной к окружности радиусом r1 , а вектор относительной скорости — по касательной к лопатке рабочего колеса. Векторы скоростей 1 , u 1 и 1 образуют входной треугольник скоростей с углами 1 и 1 ( 1 — угол наклона вектора 1 к вектору u1 , a 1 — угол наклона вектора 1 к продолжению вектора 1 ). На выходе жидкости из рабочего колеса также имеются относительная ω2, направленная вдоль выходного элемента лопатки, и окружная u2 скорости. Сумма их дает абсолютную скорость υ2. Векторы этих скоростей образуют выходной треугольник с углами соответственно 2 и β2. Предположим, следуя Л. Эйлеру, что число лопастей бесконечно велико, а толщина их бесконечно мала, т. е. траектории всех струй одинаковы. Тогда за некоторый промежуток времени частица пройдет расстояние от r1 до r2 и ее скорость изменится от υ1 до υ2, т.е. изменится количество движения частицы, что возможно лишь при воздействии на нее силы, в данном случае со стороны лопатки. Поскольку скорость меняется и по величине, и по направлению, то меняется не только количество движения частицы, но и момент количества ее движения относительно оси под действием момента, передаваемого лопатками. Для определения указанного момента применим к элементарной струйке жидкости теорему, которая гласит, что изменение момента количества движения системы частиц за некоторый промежуток времени равняется импульсу момента сил, действующих на систему за это время. Представим, что элементарная струйка за время dt переместится из положения А - В в положение А' —В'. Тогда изменение момента количества движения ΔМКД можно выразить как разность моментов количества движения струйки в положениях А' — В' и А —В: ΔМКД = MKД(A' - B') - MKД(A - B) и ΔМКД = МКД (А' -В) + МКД (В-В') - МКД (А -А') - МКД (А'-В), тогда ΔМКД = МКД (В - В') - МКД ( А - А'). Объемы отсеков В — В' и А - А' одинаковы: они равны d V и представляют соответственно втекающий в струйку и вытекающий из нее объемы за время dt, т. е. dV = dQdt. Изменение момента количества движения струйки должно равняться импульсу момента, передаваемого ей лопастями, т. е. dMdt. Перепишем это 91 выражение с учетом того, что абсолютные скорости υ1 и υ2 составляют с радиусвекторами соответственно углы α1 и 2 : dMdt = ρdQdt2 r2 cosα2 - ρdQdt1r1 cosα1 , отсюда dM = ρdQ (υ2 r2 cos α2 - 1r1 cosα1). Интегрируя но всем элементарным струйкам рабочего колеса, получим МТ∞ = ρQТ (υ2 r2 cos α2 - 1r1 cosα1), (8.15) где Мт∞ — момент, с которым рабочее колесо воздействует на жидкость при бесконечном числе лопаток и без учета потерь. Теоретически мощность, передаваемая жидкости при частоте вращения колеса 1 , выразится так: N Т∞ = МТ∞ ω = ρQТ (υ2 r2 cos α2 - 1r1 cosα1). Так как r1 u1 ,а r2 = и2, то получим N Т∞ = ρQТ (u2υ2 cos α2 - u11 cosα1). (8.16) Учитывая, что 2 cos 2 2 H , а 1 cos1 1H можно записать: N Т∞ = ρQТ (u2υ2Н - u11Н ). (8.17) где 1Н и 2 Н — окружные составляющие абсолютной скорости потока на входе в канал и выходе из него. Теоретическая мощность насоса может быть представлена зависимостью N Т∞ = gHTQT . (8.18) Приравнивая правые части двух последних выражений, получим HT u22 H u11H . g (8.19) Это формула теоретического напора насоса при бесконечном числе лопастей. Она впервые была получена Л. Эйлером и называется уравнением Эйлера. Оно может быть представлено в другом виде. Из плана скоростей на входе и выходе имеем: 12 u12 12 2u11H ; 22 u22 22 2u22 H . Подставив эти зависимости в уравнение Эйлера, получим выражение для теоретического напора насоса: 92 HT u22 u12 12 22 22 12 . 2g 2g 2g (8.20) Это равенство показывает, что теоретический напор насоса создается в результате работы центробежных сил, т. е. переносное движения обеспечивает увеличение статического напора в жидкости на величину H СТ . П u22 u12 . 2g (8.21) За счет преобразования кинетической энергии относительного движения, создающего статический напор, H СТ .О 12 22 2g . (8.22) и за счет прироста кинетической энергии абсолютного движения H ДИН 22 12 2g . (8.23) Как видим, при прохождении потока через рабочее колесо его удельная потенциальная энергия возрастает на величину Нст = Нст п + Нст 0, т. е. при этом давление в жидкости увеличивается на р gH СТ , (8.24) а удельная кинетическая энергия возрастает на Ндин. Формула для напора насоса НТ∞ (8.19) получена при предположении бесконечного числа лопаток в рабочем колесе. При расчетах по формулам Эйлера (8.19) и (8.20) для определения теоретического напора вводят поправочный коэффициент К, учитывающий снижение напора при конечном числе лопаток: Нт = КНТ∞. (8.25) Гидравлические потери в насосе учитываются путем введения в формулу гидравлического КПД. При этом Н = ηГНТ. Тогда уравнение Эйлера запишется так: Н Г К g u22 H u11H . (8.26) В большинстве случаев в современных насосах жидкость к рабочему колесу подводится без предварительного закручивания. При этом 93 тангенциальная составляющая абсолютной скорости в уравнении Эйлера обращается в нуль, т. е. α1 = 90°, и формула для напора принимает вид Н Т u22 H . g (8.27) Это общее для центробежных и осевых насосов и гидротурбин уравнение лопастных гидромашин. Из рис. 8.4 видно, что 2 H u2 2 cos 2 , тогда с учетом α1 = 90° выражение (8.26) принимает следующую форму: Н Г К u 22 1 2 cos 2 . g u2 (8.28) Из данной зависимости видно, что напор насоса с увеличением угла β2 возрастает. На первый взгляд, из этого следует, что применение лопаток, изогнутых по ходу вращения рабочего колеса вперед (β2 > 90°), выгодно. Тем не менее рабочие колеса центробежных насосов выполняются, как правило, с лопатками, изогнутыми по ходу назад, применяется значение β2 = 15...40°. Объясняется это тем, что, как показывают исследования, при (β2 > 90° резко возрастают гидравлические потери в насосе, снижается его устойчивость в работе и при изменении подачи резко меняется потребляемая мощность, что ухудшает регулирование подачи. 8.6. КАВИТАЦИЯ НАСОСОВ. ДОПУСТИМАЯ ВЫСОТА ВСАСЫВАНИЯ При работе насоса частицы жидкости движутся под действием центробежной силы в направлении от входа в рабочее колесо к его периферии, вследствие чего у входа создается зона пониженного давления. Таким образом, во всасывающей линии, соединяющей входную полость насоса с водоисточником, возникает разность давлений, под действием которой вода из него поступает к насосу. Величина разности давлений определяется геодезической высотой всасывания Hs и гидравлическими потерями во всасывающей линии h ws . При этом под Hs понимают разность отметок оси рабочего колеса и свободного уровня жидкости в водоисточнике. При постоянном давлении на поверхности в нем для подачи воды к насосу вакуум перед рабочим колесом должен быть тем выше, чем больше геодезическая высота всасывания и гидравлические потери. Однако увеличение 94 вакуума не должно превышать определенного уровня, что ограничивает допустимую высоту всасывания. Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы минимальное абсолютное давление pmin, возникающее в потоке в области входа в колесо, было больше давления рп.ж. насыщенного пара перекачиваемой жидкости. В противном случае жидкость в местах возникновения минимума давления вскипит и работа нарушится. При этом образуются полости, заполненные паром и частично выделившимися из раствора газами. Возникшие пузырьки пара уносятся в область с повышенным давлением, где происходит конденсация паров в жидкости. Вследствие инерционности теплообмена процессы вскипания и конденсации, связанные соответственно с затратой и выделением тепла, происходят с некоторым запаздыванием. Конденсация паров жидкости поэтому проходит в условиях относительного переохлаждения, в связи с чем этот процесс совершается с большой скоростью. Частицы жидкости при конденсации паров движутся к центру пузырька со значительными скоростями. В момент завершения конденсации частицы жидкости внезапно останавливаются и происходит местный гидравлический удар. Повышение давления при этом, вследствие малой величины деформации жидкости, достигает больших значений. Как показали замеры посредством пьезокристаллов, давления в области смыкающихся каверн достигают несколько сот атмосфер. Кроме огромного давления, которое развивается при сжатии пузырька, в нем значительно повышается температура. В опытах, в которых эта температура замерялась по вспышкам несмачиваемых взрывчатых порошков, температура оказалась равной +230°С. При сжатии пузырька наблюдаются также электрические явления. Рассмотренный комплекс физико-механических процессов определяет в общем виде явление, связанное с вскипанием жидкости в проточной части гидромашины и образованием каверн, или полостей, что дало ему название кавитация (cavitatis — полость). Перечисленные процессы, сопровождающие кавитацию, нельзя считать исчерпывающими. В таком разрушении материала, безусловно, участвуют также химические процессы, активно протекающие на поверхности металлических тел в зоне кавитации. Возникновение ее в гидромашинах сопровождается прежде всего резким изменением КПД. Наряду с его падением, снижаются напор и производительность насоса. 95 Рис. 8.5. Схема движения частицы жидкости При дальнейшем развитии кавитации наступает интенсивное разрушение деталей насоса. В связи с этим его длительная работа в таком режиме недопустима. В целях предотвращения возникновения кавитации удельная энергия потока при входе в насос должна быть достаточной для создания необходимой скорости потока при входе на лопатки колеса и преодоления сопротивлений, при этом давление не должно падать до величины, ведущей к вскипанию жидкости. Для установления зависимости, определяющей уровень необходимой избыточной энергии перед входом в насос, рассмотрим поток в области всасывания (рис. 8.5). Составим уравнение Бернулли для свободной поверхности водоисточника (сечение 0 — 0) и сечения b — b на входе во всасывающий патрубок насоса: р0 pb b2 HS hWS , g g 2g (8.29) где р0 — давление на поверхности водоисточника; рь — давление в сечении b — b на оси насоса; Hs — геодезическое превышение оси насоса над поверхностью в водоисточнике; b — скорость жидкости во входном патрубке насоса; h ws — гидравлические потери во всасывающей линии от поверхности водоисточника до входа в насос. Величина Hs+h ws = H's (8.30) называется приведенной высотой всасывания. Полный напор жидкости во входном патрубке определяется следующим образом: pb b2 р0 H 'S . g 2 g g (8.31) Превышение полного напора над давлением парообразования жидкости (давлением насыщенного пара) должно обеспечить предупреждение возникновения кавитации. Это превышение h называется навигационным запасом и определяется зависимостью pb b2 pП . Ж . pb pП . Ж . b2 h , g 2 g g g 2g (8.32) где рп ж — давление насыщенного пара жидкости. С другой стороны, h p0 pП . Ж . Н S' . g (8.33) 96 Очевидно, что кавитационный запас расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений при движении потока от входного сечения в насос (b — b) до точки N на лопасти рабочего колеса, где давление минимально, и на увеличение скорости потока при входе на лопасть, которое происходит вследствие стеснения потока лопастями. Если кавитационный запас будет равен сумме гидравлических потерь и напора, идущего на увеличение скорости, то в точке N давление упадет до уровня парообразования, и наступит кавитация. Такой кавитационный запас называется критическим (Δhкр). Использование кавитационного запаса позволяет определить предельную (критическую) и допустимую высоту всасывания насоса. Предельная геодезическая высота всасывания находится по выражжению H S пред Н вак .пред hкр hW где Hвак пред — предельный вакуумметрический напор. Для определения критического кавитационного запаса Δhкр проводят кавитационные испытания, в результате которых для каждого режима работы насоса получают частную кавитационную характеристику, представляющую собой Рис.8.5а. Частная кавитационная зависимость напора от характеристика насоса кавитационного запаса (рис. 8.5а) при постоянной частоте вращения и постоянной подаче. При проведении испытаний для каждого режима (Q = const) измеряют давление во всасывающем и нагнетательном, патрубках, при этом давление на входе понижают вакуумнасосом; а расход регулируют задвижкой. Далее определяют напор насоса и рассчитывают по формуле (8.5, а) значения кавитационного запаса Δh и строят характеристику. За критический кавитационный запас принимают величину запаса, соответствующую снижению напора на частной кавитационной характеристике на 2% от напора насоса. Чтобы не допустить работы насоса в режиме кавитации, определяют значение допустимого кавитационного запаса ΔhДОП: 97 hДОП АhКР , (8.35) где А — коэффициент кавитационного запаса. Тогда допустимая высота всасывания H S ДОП Н ВАК . ПРЕД h ДОП hWS , (8.36) или H S ДОП H б Н П . Ж . h ДОП hWS , рб , pб — барометрическое давление; g р П . Ж . , pП . Ж . давление насыщенного пара жидкости. g где Н6 = Н П. Ж. 8.7. ТЕОРИЯ ПОДОБИЯ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ Условия подобия насосов. При проектировании и экспериментальных исследованиях лопастных насосов широко используются методы теории подобия. Она дает возможность по выбранному модельному насосу рассчитать все размеры нового натурного насоса, геометрически подобного исходному с заданными рабочими параметрами, а также определить по рабочим характеристикам модельного насоса рабочие характеристики проектируемого насоса. Теория подобия позволяет проводить экспериментальные исследования разрабатываемых новых насосов на уменьшенных моделях с последующим пересчетом результатов таких испытаний на мощный натурный насос. Используя теорию подобия, можно рассчитать новые характеристики насоса при его работе с различной частотой вращения. Для вывода закономерностей, определяющих подобие лопастных насосов, воспользуемся положением общей теории подобия гидромеханических процессов. Для этого необходимо проанализировать с позиции теории подобия гидромеханический процесс движения жидкости в проточных полостях насоса. Проточная часть лопастного насоса состоит из трех основных элементов: подвода потока к лопастному колесу, лопастного колеса и отвода потока от него. Однако поток в лопастной машине представляет собой единое целое. Его структура определяется формой и размерами каждого элемента в отдельности, их сочетанием и особенно скоростью вращения колеса относительно элементов корпуса машины. При работе насоса стенки каналов его корпуса неподвижны, и скорости потока относительно этих стенок — скорости абсолютного движения. 98 Лопастное колесо вращается, и стенки его движутся, поэтому движение потока относительно стенок рабочего колеса — относительное движение. Абсолютное движение слагается из указанного относительного и переносного, определяемого скоростью вращения колеса. При вращении колеса через одну и ту же точку в неподвижном пространстве, связанном с корпусом насоса, проходят различные точки окружности колеса. Давление и скорость в этой неподвижной точке будут циклически изменяться. Поэтому абсолютное движение потока в лопастном колесе — неустановившееся. Однако если систему отсчета связать с лопастным колесом и рассматривать относительное движение, то его можно считать установившимся. Абсолютное движение в подводящей плоскости насоса также можно полагать установившимся, так как на некотором расстоянии до и после лопастного колеса циклические возмущения давления и скорости, вызванные отдельными лопастями, выравниваются, и движение может стать симметричным относительно оси вращения. При этом заметим, что форма проточной части насоса, которая обеспечивает установившееся относительное движение в колесе при расчетном режиме, уже не отвечает этим требованиям при других режимах. Гидромеханическое подобие этих процессов отмечается в случае протекания их в геометрически подобных системах (насосы должны быть геометрически подобными) и при тождественности критериев подобия гомохронности, Фруда, Рейнольдса, Эйлера, а также критериев степени турбулентности. Должны быть одинаковыми критерии гомохронности, определяющие частоту турбулентных пульсаций. Точно выполнить все указанные условия подобия при моделировании насосов невозможно. Проанализируем, какие из них можно исключить без большой погрешности и какие следует принять за определяющие. При моделировании насосов удается обеспечить геометрическое подобие основных элементов. Однако величина относительной шероховатости по технологическим причинам может меняться в значительных пределах. Это, как правило, приводит к некоторым различиям коэффициента сопротивления и КПД модели и натуры. Изучение влияния указанного масштабного эффекта служит предметом специальных исследований и в данном случае не будет учитываться. Известно, что при работе модели и натуры в автомодельной зоне величина коэффициента сопротивления практически не зависит от числа Рейнольдса. Поэтому можно полагать, что при моделировании по Рейнольдсу достаточно обеспечить условия работы модели и натуры в названной зоне, т. е. при Re > 105. Изложенное показывает, что критерий Рейнольдса не налагает никаких ограничений на константы подобия для лопастных насосов. Критерий Фруда определяет подобие процессов, протекающих под действием объемных сил, в данном случае силы гравитации. Однако последние не играют 99 определяющей роли в формировании потока в проточных полостях насоса. В связи с этим названный критерий можно исключить из рассмотрения при изучении условий подобия лопастных насосов. Установление условия тождественности критериев степени турбулентности и частоты турбулентных пульсаций, т.е. условий подобия для турбулентности, представляет большие трудности, особенно в насосах с их сложной конфигурацией проточной полости. Однако экспериментально установлено, что влияние степени турбулентности ослабевает с увеличением числа Рейнольдса. В автомодельной зоне ее влияние падает. В целях упрощения задачи о подобии лопастных насосов можно исключить из рассмотрения критерий как степени турбулентности потока, так и гомохронности, определяющий частоту турбулентных пульсаций. При рассмотрении потока в проточной полости лопастных насосов установлено, что он в системе отсчета, связанной с корпусом насоса, имеет неустановившийся характер. Условием подобия неустановившихся процессов является критерий гомохронности, который должен входить в число определяющих при исследовании подобия лопастных насосов. Критерий Эйлера служит условием подобия при моделировании перепада давления в потоках, когда этот перепад характеризуется или упругими свойствами жидкости, или гидравлическими сопротивлениями при движении потока несжимаемой жидкости. Очевидно, что рассматриваемый критерий должен быть определяющим и для других явлений, характеризуемых наличием перепада давлений в жидкости. Изучение кавитации показало, что ее возникновение обусловлено величиной превышения избыточного давления в потоке над давлением парообразования при подходе потока к рабочему колесу насоса. Следовательно, условием подобия для параметров, определяющих начало кавитации, должен быть критерий Эйлера, где под перепадом давления понимается величина избыточной энергии потока над давлением парообразования при подходе потока к насосу. На основании проведенного анализа условий и критериев механического подобия турбулентных потоков применительно к насосам приходим к выводу, что с точностью до учета влияния масштабного эффекта подобными можно полагать насосы, у которых имеется геометрическое подобие проточных полостей, обеспечивается условие работы натуры и модели в автомодельной зоне и одинаковы критерии го-мохронности и Эйлера. Критерий подобия лопастных насосов. При наличии геометрического подобия модельного и натурного насосов и при выполнении условия их работы в автомодельной зоне для подобия режимов их функционирования необходимо обеспечить одинаковость критериев гомохронности: Н0 = υt/l = idem, (8.37) где Н0 — критерий гомохронности; υ, t, l — соответственно скорость, время и линейный размер. 100 Выразим это условие подобия гидромашин через параметры, характеризующие работу насоса. Примем за характерную скорость потока ее окружную составляющую на выходе из рабочего колеса и2, за линейный размер — наружный диаметр рабочего колеса D2, за время в критерии гомохронности для насосов — период одного оборота колеса T = 60/n, (8.38) где п — частота вращения рабочего колеса, мин-1. Тогда критерий гомохронности запишется так: Н0 u2 = idem, nD2 (8.39) а индикатор подобия насосов будет иметь вид u = 1, n D (8.39) где λи, λп, λD — константы подобия (масштабы соотношений) соответственно скорости, числа оборотов и линейных размеров. Константы подобия представляют собой масштаб моделирования соответствующих характеристик потока, т. е. соотношение их значений на модели и в натуре. Согласно основному уравнению лопастных насосов (8.27) имеем выражение для теоретического напора натуры и модели: НТН u2 н2uн u ; НТМ 2 M 2uM , 2 gн 2gM (8.40) где индексы ним соответственно характеризуют параметры натуры и модели; υ2u — окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса. Отношение напоров определится следующим образом: g H HTH u 2 н 2uн . g M HTM u2UM 2UM (8.41) При условии подобия гидромеханических процессов соотношение одноименных скоростей в сходственных точках должно иметь один и тот же масштаб моделирования, т. е. λи = λυ. Тогда зависимость (8.41) запишется в виде g H u2 . (8.42) Расход, подаваемый рабочим колесом насоса, может быть выражен уравнением Q 2r b2D2 , (8.43) 101 где υ2r — радиальная составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса; b2 - ширина рабочего колеса на выходе; D2 — диаметр выхода рабочего колеса. Отношение расходов представим так: Q u 2D . (8.44) Из уравнений (8.42) и (8.44) выразим D Q 4 H g . (8.45) Подставив значения λD и λи в формулу u = 1, получим индикатор n D подобия лопастных насосов: 4 3H 3g n Q 1. (8.46) В соответствии с последней зависимостью имеем выражение IS n Q 4 3 g H 3 idem. (8.46) Величина Is называется критерием подобия лопастных насосов. Для гидромеханического подобия насосов, наряду с геометрическим подобием и их работой в автомодельной зоне, должно выполняться условие одинаковости Is. Данный критерий характеризует подобие режимов работы геометрически подобных насосов, которое выражается в подобии скоростных треугольников на входе и выходе с рабочих колес натурного и модельного насосов. Действительно, из u = 1 получаем n D u nD , или u2 H nD . u2 M Из условия подобия потоков имеем 102 u 2 H 2 Н 2 Н n D . u 2 M 2 М 2 М (8.48) Это соотношение скоростей показывает, что скоростные треугольники на выходе (см. рис. 8.4, а) для натуры и модели подобны. Такие режимы называются изогональными. Из критерия подобия лопастных насосов Is или непосредственно из критерия гомохронности (8.39) можно получить критерии моделирования основных рабочих параметров насосов, выраженные через частоту вращения и диаметры рабочих колес модели и натуры. Из выражения (8.39) и уравнения отношения напоров (8.41) получаем индикатор g Н n D 1, (8.49) который дает критерий моделирования напора насоса: gH = idem. n 2 D22 (8.50) Данный критерий показывает, что соотношение (8.50) для подобных насосов одинаково. Из условий (8.44) и (8.33) получаем второй индикатор: Q = 1, n 3D (8.51) который дает второй критерий — критерий моделирования расхода насоса: Q =idem. nD23 (8.52) В соответствии с зависимостью для мощности насоса (8.1) отношение мощностей при условии равенства КПД натуры и модели N где NH g Q H , NM (8.53) 0 — константа подобия плотности. Учитывая (8.49) и (8.51), из (8.53) получаем критерий моделирования мощности насоса: 103 N idem. n3 D25 (8.54) Для насосов, работающих в подобных режимах, критерии (8.50), (8.52), (8.54) одинаковы. Заметим, что критерии (8.50) и (8.52) получены непосредственно из критерия гомохронности (8.39), а (8.54) — следствие одинаковости первых двух. Совместное решение выражений (8.50) и (8.52) приводит к критерию подобия насосов (8.47). Это показывает, что два критерия (8.50) и (8.52) идентичны критерию Is. Полученные критерии могут быть представлены в форме зависимостей между параметрами модели и натуры, которые в случае равенства величин ρ и g для модели и натуры принимают следующий вид: Н Н nH Н М nM 2 D2 H D2 M QH nH D2 H QM nM D2 M N H nH N M nM 3 2 ; 3 ; D2 H D2 M (8.55) 5 . Уравнения (8.55) представляют собой зависимости между расходами, напорами и мощностями модельного и натурного насосов, выраженные через соотношения частот вращения и диаметров рабочих колес этих насосов. Они широко применяются при проектировании, испытании и эксплуатации насосов. Действительно, на основании установленных законов подобия можно рассчитать размеры нового насоса, подобного модельному, если известны рабочие параметры модельного и натурного насосов; определить параметры насоса при работе с различной частотой вращения. Законы подобия обеспечивают возможность создания и испытания модели проектируемого насоса, дают возможность по данным испытания модели определить его параметры. Система уравнений (8.55) позволяет получить зависимости для расчета рабочих колес по рабочим параметрам насоса. 104 8.8. ХАРАКТЕРИСТИКА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ Насос рассчитывается с учетом определенного сочетания его рабочих параметров. При расчетном режиме форма проточной полости насоса и частота вращения рабочего колеса обеспечивают работу с максимальным КПД. При эксплуатации насоса его подача может регулироваться, что ведет к изменению других рабочих параметров — напора, мощности и КПД. Характеристикой насоса называют зависимости напора, мощности и КПД от подачи при постоянной частоте вращения. Обычно характеристика представляется в виде графиков Н = f(Q); N = f(Q) и η =f(Q) при n = const. Рассмотрим сначала зависимость напора от подачи. Для получения теоретической зависимости НT∞ = f(Q) воспользуемся уравнением Эйлера, в результате имеем формулу НT∞ = а + bQT при бесконечном числе лопаток центробежного насоса. Это уравнение прямой линии. При конечном числе лопаток значение Hт определяется по формуле Hт = KHT∞, т. е. зависимость Hт = f(QT) тоже линейная и приближенно параллельна зависимости НT = f(QТ∞) (рис. 8.6), где К – коэффициент, учитывающий снижение напора при конечном числе лопаток. Напор, развиваемый насосом, меньше теоретического на величину гидравлических потерь Н = НT — hw. Потери напора в насосе складываются из местных потерь на входе и выходе потока с рабочего колеса и потерь по длине при движении потока внутри каналов насоса. Движение потока в каналах рабочего колеса характеризуется полностью развитой турбулентностью, т. е. относится к автомодельной зоне, и потери по длине hl hk будут пропорциональны квадрату скорости и, следовательно, квадрату расхода: hl kQT , где k коэффициент, характеризующий гидравлическое сопротивление канала. Если из ординат характеристики НT = f(QT) вычесть значения hl и hМ.П. получим рабочую характеристику насоса Н = f(QT). Подача насоса отличается от расхода QT, протекающего через рабочее колесо, на величину объемных потерь ΔQ. Чтобы учесть влияние потерь, необходимо сдвинуть характеристику влево на величину Q, что и требовалось доказать. 2 105 Для построения зависимости мощности насоса от подачи: N = f(Q) подставим значение HT∞ = а + bQT в выражение для гидравлической мощности Nr = ρgHTQr и получим Nr=ρg(aQT-bQ2Г). Эта зависимость представляет собой параболу, пересекающую ось абсцисс в точках QT = 0 и QT = а/b (рис. 8.7). Мощность насоса — это сумма гидравлической и механической мощности, идущей на преодоление механических потерь. Последние мало зависят от подачи насоса. Прибавив к Nr постоянную величину Nмex, получим зависимость N = f(Qт). Учитывая объемные потери, сместим кривую N = f(QT) влево на величину ΔQ и получим график зависимости N = f(Q). Используя кривые H = f(Q) и N = f(Q), построим кривую η = f(Q) по уравнению η = ρgQH/N. Теоретически построенные графики дают приближенное представление о действительных характеристиках, поскольку при их расчетах не брались во внимание существенные моменты, связанные с движением реального потока в проточных полостях насоса. Реальная характеристика насоса может быть получена лишь опытным путем. На основе экспериментальных данных строятся рабочие характеристики. Они, кроме зависимостей H = f(Q), N = f(Q) и η = f(Q), включают также зависимость допустимого кавитационного запаса от подачи Δhдоп = f(Q), получаемую на основе кавитационных испытаний насоса. Пересчет характеристик лопастных насосов на другую частоту вращения рабочего колеса. Рабочая характеристика насоса дается для определенной частоты вращения п = const. Часто возникает необходимость изменить этот показатель. Например, имеется электродвигатель, по всем параметрам приемлемый для привода насоса, но несколько отличающийся по частоте вращения. Чтобы судить об эксплуатационных параметрах насоса, надо знать его характеристику при новой частоте вращения. Для этой цели воспользуемся известными зависимостями (8.55), имея в виду, что в данном случае D2 = const, т. е. моделирование осуществляется по изменению частоты вращения. Тогда, полагая, что η1 = η2. Для пересчета параметров насоса с частотой вращения n1 на n2 получаем зависимости Q1 n1 ; Q2 n2 2 H1 n1 ; H 2 n2 3 N1 n1 . N 2 n2 (8.56) 106 Пересчет осуществляют следующим образом. Задав ряд значений Q, по имеющейся характеристике получают соответствующие им напор, мощность и КПД. Подставляя найденные значения Q1, Н1 и N2, в уравнения (8.56) находят Q2, Н2 и N2, т. е. координаты точек новой характеристики насоса при частоте вращения п2. По нанесенным на график точкам получают искомую характеристику при п2. 8.9. РАБОТА НАСОСА НА СЕТЬ. РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ НАСОСА Ранее мы рассмотрели схему насосной установки, содержащей насос, всасывающую и напорную линии трубопровода (водопроводящую сеть). Насос на данной насосной установке работает в таком режиме, при котором потребный напор, выражаемый зависимостью (8.10), Н потр р" р ' НГ hw H ст hw g равен напору насоса. Это определяется условием, согласно которому насос в пределах его характеристики так будет менять режим работы, чтобы удельная энергия, сообщаемая им жидкости, соответствовала энергии, которая затрачивается при движении жидкости по трубопроводам данной сети. Для определения режима работы насоса на один и тот же график следует нанести характеристики насоса и требуемой удельной энергии для пропуска данного расхода по данному трубопроводу. Кривая требуемой удельной энергии в функции расхода называется характеристикой трубопровода и выражается аналитической зависимостью Н потр р" р ' НГ hw H ст hw g , которая может быть преобразована, если раскрыть потери напора: 2 l hw , d 2g где l — длина трубопровода, м; d — диаметр трубопровода, м; ξ — коэффициент местных потерь, но Q , F где F — площадь сечения трубопровода, м2; 107 тогда H потр Н ст 1 l d Q 2 H ст КQ 2 , где К d 2 . 2 2 gF 2 gF Полученная параболическая кривая (рис. 8.8) является характеристикой трубопровода. Точку Л пересечения ее с характеристикой насоса называют рабочей точкой насоса и трубопровода. Насос будет развивать в этом случае напор Н А при подаче QA. Режим работы конкретного насоса на данный трубопровод определяется положением рабочей точки. Однако часто требуется регулировать подачу насоса (рис. 8.9). Ясно, что в данном случае можно только уменьшить подачу. Предположим, что надо изменить расход с QA до QB. Это можно сделать двумя способами: 1) изменением характеристики трубопровода; 2) изменением характеристики насоса. 1-й способ. Изменить характеристику трубопровода можно, варьируя значение К l / d 2 gF 2 , а это в процессе работы возможно за счет изменения коэффициента сопротивления задвижки задв путём изменения ее положения. Прикрыв задвижку, будем увеличивать задв следовательно, К. При этом характеристика трубопровода, сохраняя начальную точку, становится более крутой. Прикрывая задвижку, добиваемся снижения расхода до значения QB. В этом случае характеристика трубопровода пройдет через точку В. Такое регулирование неэкономично, как сводится к искусственному увеличению потерь. Действительно, трубопровод при расходе QB требует напора НВ, а насос создает напор НВ, поэтому разность данных напоров должна компенсироваться сопротивлением задвижки: Н В1 Н В hзадв . Это резко снижает КПД установки, так как теряется мощность, поглощаемая задвижкой: N задв ghзадвQ . (8.57) Описанный вид регулирования подачи наиболее распространен вследствие простоты его осуществления. 108 2-й способ. Регулирование подачи центробежного насоса путем изменения его рабочей характеристики осуществляется за счет изменения частоты вращения рабочего колеса. Это возможно, если менять обороты двигателя. Для регулирования надо частоту вращения насоса уменьшить до такого значения п2, чтобы характеристика (N — Q) насоса проходила через точку В (см. рис. 8.9). В процессе эксплуатации обычно меняют подачу с QA до QB путем изменения частоты вращения вала насоса, фиксируя подачу по показаниям приборов. Иногда необходимо заранее вычислить новую (требуемую) частоту вращения n2, соответствующую определенной подаче. Нам известны параметры заданной точки В: QB и НВ. Построим параболу подобных режимов по уравнению Н = CQ2, где С = HB/Q2B. Пересечение параболы с характеристикой насоса при n1 = const дает точку D с координатами HD и QD, в которой режим работы насоса подобен режиму работы в точке В. Отсюда определяем n2 n1 QB . QD 8.10. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ НАСОСОВ Параллельная работа насосов на сеть. Работа нескольких насосов на общий напорный трубопровод называется параллельной. Совместная работа двух насосов на общий трубопровод возможна, если в точке М соединения их напорных труб установится одинаковый напор. Поэтому для построения характеристики совместной работы насосов (кривой I + II) надо сложить подачи насосов для одинаковых напоров. Характеристика трубопровода пересекает характеристики насосов в точках A1, А11 и A. Подача каждого насоса при работе на отдельный трубопровод определяется расходами Q'A и Q"A. В отличие от этого, подача при параллельной работе насосов составляет QA = QA1 + QAII. Разность ΔQ = (Q'A + Q'' A ) - QA называют дефицитом подачи. При параллельной работе насосы имеют КПД (рис. 8.10). Общий КПД системы двух параллельно работающих насосов найдем из соотношения 109 I II gQ A H A Q A AI AII , gQ AI H A gQ AII H A Q AI AII QAII AI AI AII (8.58)где gQA H A — полезная мощность; gQAI H A gQAII H A и мощность каждого из работающих насосов. AI AII Для наиболее простого частного случая, когда насосы одинаковы, построение рабочей характеристики параллельно работающих насосов осуществляется простым удвоением ее абсцисс. КПД системы двух таких насосов в этом случае равен КПД одного из них. Последовательная работа центробежных насосов. Последовательным называют такое соединение двух насосов, в котором насос I подает воду во всасывающий патрубок насоса II, а последний подает ее в напорную линию. Последовательное соединение двух (или более) насосов (рис. 8.11) применяется при необходимости получить напор больше того, который может быть создан одним насосом. При этом подача насосов одинаковая, а общий напор равен сумме их напоров. Рассмотрим характеристику двух одинаковых последовательно работающих насосов. Она строится путем удвоения ординат характеристики одного насоса. Пересечение характеристики трубопровода с характеристикой (2Н — Q) в точке А определит режим работы отдельного насоса. Каждый из них работает с подачей QA, развивая напор Н1. Подобные схемы применяются в пожарных системах, в системах отопления и др. 8.11. КОНСТРУКЦТОННЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛОПАСТНЫХ Центробежные насосы. На рисунке 8.12 представлен консольный насос (К), предназначенный для подачи чистой холодной воды и других малоагрессивных жидкостей. Характерная особенность такого насоса — это расположение рабочего колеса 4 на консоли вала 12, вращающегося в двух 110 широко расставленных шариковых подшипниках 13. Подвод насоса 1 выполнен в виде прямоосного конфузора, заодно с крышкой насоса. Для разгрузки рабочего колеса 4 от осевого усилия, возникающего вследствие разности давления слева и справа на его внутренний диск в пределах диаметра входа рабочего колеса, предусмотрены разгрузочные отверстия 23 и уплотнение 5. Это обеспечивает выравнивание давления за рабочим колесом 4 (перед сальником) и перед рабочим колесом 4 в зоне всасывания. Чтобы предотвратить просачивание воздуха в насос, сальниковое уплотнение 10 снабжено кольцом гидравлического затвора 19, жидкость к которому подводится по сверлению 8. В корпусе 7 и в крышке насоса установлены сменные уплотнительные кольца 2 и 3. Корпус 7 насоса крепится на опорной стойке. Неуравновешенные радиальное и осевое усилия через вал 12 воспринимаются шарикоподшипниками 13. Иногда рабочее колесо 4 насоса выполняется неразгруженным, тогда осевое усилие воспринимается упорным подшипником. Рис. 8.12. Разрез центробежного консольного насоса: 1 — входной (всасывающий) патрубок; 2 — уплотняющее кольцо; 3-~ защитное кольцо: 4 — рабочее колесо; 5—пробка отверстия для подсоединения вакуум-насоса; 6 —выходной (нагнетательный) патрубок; 7— спиральный корпус; в — сверление; 8 — втулка защитная; 10 — набивка сальника; 11 —крышка сальника; 12 — вал; 13—шарикоподшипники; 14 — распорная втулка; 15 — стойка опорная с масляной ванной; 16 - втулка распорная; 17, 18 — полумуфты; 19 — кольцо гидравлического уплотнения; 20 — корпус сальника; 21 — чайка; 22 — грунабукса; 23 — разгрузочное отверстие. На рисунке 8.13 изображен одноступенчатый насос с двусторонним 111 входом (А). Этот насос характеризуется двусторонним, подводом жидкости к рабочему колесу 4. Благодаря этому она имеет симметричное исполнение и разгружено от осевого усилия. Подвод 6 к рабочему колесу 4 и отвод насоса спиральные. Корпус, насоса имеет горизонтальный разъем. Это обеспечивает ремонт и замену деталей ротора без демонтажа трубопроводов и отсоединения электродвигателя. Сальниковые уплотнения вала, в местах подвода насоса снабжены гидравлическими затворами 2, к которым под давлением по трубкам подается жидкость из отвода. Вал насоса защищен от износа сменными втулками, которые одновременно фиксируют рабочее колесо в осевом направлении. Уплотнение между рабочим колесом 4 и корпусом осуществляется сменными уплотняющими кольцами 3 и 6, закрепленными на рабочем колесе 4 и корпусе насоса. Радиальная нагрузка ротора воспринимается подшипниками скольжения. ( Для фиксации вала и восприятия возможного осевого усилия в корпусе левого подшипника установлен радиально-упорный подшипник 1. Рис. 8.13. Центробежный насос с двусторонним входом. Для создания больших напоров применяются многоступенчатые насосы. Промышленность выпускает несколько типов этих насосов. На рисунке 8.14 представлен разрез пятиступенчатого секционного центробежного насоса. Принцип работы тот же, что и у рассмотренных центробежных насосов. Особенность в том, что насос состоит из отдельных секций, стягиваемых шпильками. Жидкость пощупает на первое рабочее колесо 16 через входной канал выполненный; во входной крышке 7. Далее через направляющий аппарат 2 жидкость поступает на следующее рабочее колесо. Пройдя все пять ступеней, вода выходит через выходной патрубок 1. 112 Секционность насоса позволяет при одной и той же подаче с помощью различного количества "монтируемых ступеней (секций) варьировать его напором, изменяя только длину вала, стяжных шпилек и обводной трубки отвода воды от пяты. Гидравлическая пята 25 — это разгрузочное устройство, автоматически уравновешивающее осевое усилие и стремящееся сместить ротор насоса в сторону всасывания. Для создания противодавления осевым усилиям в гидравлическую пяту по щели 19 подводится вода от последней ступени насоса. От пяты 25 она отводится для уплотнения сальников на входе и далее попадает во всасывающую линию или отводится наружу. Подводимая к сальникам вода уплотняет и охлаждает их. Гидравлическая пята 25 — ответственное устройство, ее неисправность приводит в негодность рабочие колёса и уплотнения из-за смещения ротора в сторону всасывания. Многоступенчатые насосы имеют малые габариты при высоких напорах, однако демонтаж их неудобен, так как, кроме отсоединения трубопроводов, необходима разборка подшипников и сальников. Рис. 8.14. Разрез многоступенчатого секционного центробежного насоса: 1 — выходной патрубок; 2 — направляющий аппарат; 3 — корпус секции; 4 — шпилька стяжная; 5 — защитно-уплотняющее кольцо; 6 — резиновый шнур; 7 — входной патрубок; 8 — канал гидравлического уплотнения сальника; 9 — муфта; 10 — радиальный роликоподшипник; и — кронштейн; 12 — сальник; 13 — кольцо гидравлическою уплотнения; 14 — грундбукса; 15 — распорно-защитная втулка; 16 — рабочее лопастное колесо; 17— вал; 18 — призматическая шпонка; 19 — щель подвода воды к гидравлической пяте; 20 — дистанционная втулка; 21- втулка разгрузки, 22 — гайка-втулка; 23 — уплотнение в крышке подшипника; 24 — защитно-уплотняющее кольцо; 25 — гидравлическая автоматическая пята. 113 Рис. 8.15. Погружной многоступенчатый электронасос. Скважинные центробежные насосы — вертикальные секционные насосы, устанавливаемые в скважине при водоснабжении, водопонижении и орошении. Эти насосы разделяются на две группы: насосы, монтируемые в скважине с приводом от двигателя, располагающегося над скважиной, и насосы, погружаемые вместе с электродвигателем под динамический уровень воды в скважине. В первом случае насос соединяется с двигателем длинным трансмиссионным валом, монтируемым в водоподъемной трубе. В этих насосах используются радиальные и диагональные рабочие колеса. К установке скважинных насосов с трансмиссионным валом предъявляются высокие требования: строго вертикальное расположение вала трансмиссии, недопущение искривления скважины, тщательный монтаж. К недостаткам этих насосов следует отнести трудность эксплуатации и сложность монтажа и демонтажа насоса при ремонтах, изнашивание вала от песка и коррозии. И все же эти насосы имеют преимущества перед поршневыми штанговыми насосами и эрлифтами. Они менее металлоемки, чем штанговые насосы, и не требуют сложного оборудования, такого, как компрессоры в эрлифтных установках. Указанные недостатки насосов с трансмиссионным валом послужили причиной создания погружных агрегатов – второй группы скважинных насосов. Погружной многосекционный электронасос диагонального типа показан на рисунке 8.15. Насос 2 размещается ниже динамического уровня воды в скважине. Для привода таких насосов применяются погружные асинхронные водозаполненные электродвигатели 1 с короткозамкнутым ротором. Электродвигатель 1 располагается ниже насоса 2, вода в который проходит через приемную сетку, расположенную между насосом 2 и электродвигателем 1. Подшипники насоса 2 и электродвигателя 1 смазываются и охлаждаются водой. Вода от насоса 2 поступает в водоподъемную трубу 3, соединенную с ним специальным патрубком. Энергия к погруженному электродвигателю 1 подводится сверху по специальному кабелю 4. 114 Рис. 8.16. Осевой насос: вверху – рабочее колесо: 1 – втулка; 2 – лопасти; 3 – обтекатель; внизу – схема движения жидкости: 1 – корпус; 2 – лопасть рабочего колеса; 3 – вал; справа – схема конструкции. Осевые насосы. Рабочее колесо осевого насоса представлено на рисунке 8.16 (вверху), а схема движения воды в рабочем колесе — на рисунке 8.16 (внизу). Струйки потока движутся параллельно оси насоса, благодаря чему этот тип лопастных насосов и получил название осевых. В действительности движение потока в насосе более сложное — помимо осевого перемещения, поток участвует в винтовом движении при сходе с лопастей рабочего колеса. Схема конструкции осевого насоса с жестко закрепленными лопастями рабочего колеса показана на рисунке 8.16 (справа). На втулке 1 рабочего; колеса жестко закреплены лопасти 2. Втулка закрыта обтекателем 11, который обеспечивает, плавный подвод жидкости к лопастям 2. Сойдя с лопастей 2, поток попадает на неподвижные лопасти направляющего аппарата, 9, служащего отводом насоса. К отводу крепят колено 8 с напорным патрубком. Для привода рабочего колеса служит вал, установленный в двух направляющих подшипниках скольжения 10 и 7 с водяной смазкой. В этих целях применяется отфильтрованная вода, подводимая по трубке 4 в камеру над 115 верхним подшипником 7, уплотненную сальником 6. Пройдя через зазор между вкладышем подшипника 7 и валом, по трубе 3 вода поступает к нижнему подшипнику 10, после которого — в основной поток. Вал насоса соединяется с валом электродвигателя жесткой муфтой 5. Осевое усилие и вес ротора воспринимаются пятой электродвигателя. Промышленностью выпускаются также поворотно-лопастные осевые насосы. В этих насосах положение лопастей рабочего колеса может регулироваться. Благодаря этому обеспечивается регулирование подачи насоса при высоких значениях КПД. К лопастным насосам, кроме центробежных, относятся осевые и диагональные (полуосевые). Осевые предназначаются преимущественно для подачи больших расходов воды при сравнительно малых напорах. Характеристике подобного насоса свойственно резкое снижение напора при увеличении подачи (рис. 8.12). Это приводит к тому, что с увеличением подачи мощность насоса уменьшается. Диагональные (полуосевые) насосы по конструкции сходны с осевыми. По гидравлическим параметрам они занимают среднее положение между центробежными и осевыми. Они относятся к низко- и средненапорным насосам и могут быть одно- и многоступенчатыми. 8.12. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И УСТРОЙСТВО ОБЪЕМНЫХ НАСОСОВ Рис.8.17. Характеристика осевого насоса Объемным называют насос, в котором жидкость перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры, периодически сообщающейся с местами входа и выхода жидкости. Перемещение последней осуществляется путем вытеснения ее из рабочей камеры рабочим органом. В качестве последнего могут выступать поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины и т. д. По характеру движения рабочего органа объемные насосы подразделяются на поршневые с возвратно-поступательным движением рабочего органа и роторные — с вращательным или вращательно-поступательным. Основные отличия объемных насосов от лопастных: а) подача объемного насоса осуществляется циклически, а не равномерным потоком, причем за каждый цикл рабочего процесса подается порция, равная рабочему объему насоса; б) напорный трубопровод объемных насосов постоянно отделен от всасывающего трубопровода соответствующими устройствами; 116 в) объемный насос обладает способностью самовсасывания, т. е. может создавать вакуум во всасывающей трубе; г) идеальная подача не зависит от развиваемого насосом давления; д) давление, создаваемое насосом, не зависит от скорости движения рабочего органа. Средняя подача в секунду объемного насоса определяется по формуле Q Q где Vn , 60 (8.59) Q — объемный КПД насоса; V— рабочий объем насоса; п — число рабочих циклов в минуту. Объемный КПД насоса равен отношению действительной средней во времени подачи к идеальной теоретической средней подаче: Q Q Q , QT Q Q где ΔQ — объемные потери в насосе. В объемном насосе приращением пренебрегают, поэтому давление (8.60) кинетической энергии обычно pH p2 p1, (8.61) где р2 и р1 — давление соответственно на выходе и входе насоса. Напор насоса H pH . g (8.62) Полезная мощность насоса NП = QPH . (8.63) Мощность насоса (потребляемая) N = МнωН, (8.64) где Мн — момент на валу насоса; Н — угловая скорость вала. КПД насоса — это отношение полезной мощности к мощности, потребляемой насосом: QpH NП . N M H H (8.65) В объемных насосах, как и в лопастных, различают гидравлический ηг, объемный Q механический ηмех КПД. 117 Гидравлический ТСПД учитывает гидравлических сопротивлений в насосе: Г потери энергии р2 р1 рН , рин рин на преодоление (8.66) где рин — индикаторное давление, создаваемое в рабочей камере насоса и соответствующее теоретическому напору. Объемный КПД учитывает потери, связанные с утечками жидкости через зазоры, и определяется зависимостью (8.60); механический КПД — потери на трение в механизмах насоса: мех N N мех Nин , N Т (8.67) где NHH — индикаторная мощность, сообщаемая жидкости в рабочей камере и соответствующая NГ в лопастных насосах; NИН = Qтрин. Если N = Мнюн умножить и разделить на NИH, получим Qp H N ИН р Q N ИН Н ГQ МЕХ , N QТ рИН рИН QT N (8.68) т. е. общий КПД насоса равен произведению частных КПД (ηг, ηQ, η Мex), что аналогично зависимости (8.9). Поршневые насосы подразделяются на 3 группы: а) одинарного (простого) действия; б) двойного действия; в) тройного действия. За один оборот вала (двойной ход поршня) насос простого действия совершает 1 такт всасывания и 1 такт нагнетания. Вытесняемый объем воды за 1 цикл определится следующим образом: V = SF, (8.69) где S — ход поршня, м; F — площадь поршня, м2. Отсюда получим: Q Q SFn . 60 (8.70) В насосах двойного действия за 1 оборот вала кривошипа происходят 2 такта нагнетания и всасывания. Подача при этом равномернее, чем у насоса простого действия. За один оборот вала кривошипа вытесняемый поршнем объем V = SF + S (F – f ) = (2F – f )S, где f — площадь штока поршня, м2. Средняя подача насоса определится зависимостью 118 Q Q 2 F f Sn . 60 (8.71) Насос тройного действия представляет собой строенный насос простого действия. Средняя додача выразится так: FSn . 60 Q 3Q (8.72) Если пренебречь f при определении подачи насоса, то его секундная подача может быть найдена из общей формулы: Q Q i FSn , 60 (8.73) где i — число действий насоса (i = 1 — насос простого действия; i = 2 — двойного; i = 3 — тройного и т. д.). Достоинства поршневых насосов: довольно высокий КПД, независимость напора от подачи, возможность перекачивания жидкости с различной вязкостью, хорошая всасывающая способность. Недостатки: неравномерная подача и резкие колебания давления, тихоходность, высокие относительная стоимость и металлоемкость. Роторные насосы. К ним относятся: шестеренные, винтовые, роторношиберные, радиально-поршневые, аксиально-поршневые и др. В отличие от поршневых, они не имеют всасывающих и нагнетательных клапанов и применяются для перекачивания масел и нефтепродуктов. Средняя подача роторных насосов определяется по формуле (8.59): Q Q Vn , 60 где V — объем жидкости, подаваемый за один оборот ротора, зависит от типа насоса. Давление нагнетания роторного насоса, как и поршневого, определяется характеристикой трубопровода. При возрастании давления подача несколько падает за счет увеличения утечек, т. е. снижения Q . Мощность роторного насоса устанавливается по зависимости N pQ . Частота вращения насоса указывается в каталоге. Характеристика может меняться путем изменения п. Предельная допустимая высота всасывания определяется условием недопущения кавитации. 119 Рис. 8.18. Схема шестерённого насоса Наиболее распространенный тип роторных насосов — шестеренные, рабочий орган которых — пара шестерен — ведущая и ведомая. Зубья шестерен перемещают жидкость из области всасывания 3 в область нагнетания 5. Эти области изолируются друг от друга при зацеплении шестерен 1 и 4, приводимых во вращение валом 2. Для ограничения давления в насосе устраивают предохранительный клапан, давление открытия которого регулируется пружиной. Объем, вытесняемый насосом за полный оборот шестерен, V 2 zb, где z — число зубьев одной шестерни; Ω — площадь впадины между зубьями; b — ширина зуба. Характеристика шестерённого насоса обычно представляет зависимость подачи мощности и КПД от давления, развиваемого насосом (рис. 8.19). Резкий перегиб кривой Q — р соответствуют началу срабатывания предохранительного клапана. Шестеренные насосы. Это наиболее Рис. 8.19. Характеристика распространенный тип роторных насосов. шестеренного насоса Рабочий орган шестеренного насоса — это пара шестерен — ведущая и ведомая (см. рис. 8.18 ) Зубья шестерен перемещают жидкость из области всасывания 3 в область нагнетания 5. Эти области изолируются друг от друга при зацеплении шестерен 1 и 4, приводимых во вращение валом 2. Всасывание обеспечивается тем, что жидкость захватывается впадинами зубчатых колес из всасывающего пространства и при вращении колеса перемещается в полость нагнетания до места зацепления колес, где зубья одного колеса вытесняют жидкость из впадин другого. Для ограничения давления в насосе, как правило, устраивают предохранительный клапан, давление открытия которого регулируется 120 пружиной. Применяются шестеренные насосы в системах гидросистемах тракторов, автомобилей, станков, гидропередачах. смазки, в Рис. 8.20. Схема трёхвинтового насоса. Винтовые насосы. Наиболее широкое распространение получили трехвинтовые насосы, но применяются и двухвинтовые. Жидкость в этих насосах перемещается вдоль оси во впадинах между винтовыми поверхностями, герметически отделяющими приемную часть от напорной. Широкому распространению этих насосов способствует их высокий КПД. Они обладают строго равномерной подачей, работают без шума, отличаются малой- массой. Выпускаются насосы с подачей от 0,3 до 800 м3/ч при давлении нагнетания 0,5... 25 МПа и КПД 60...80%. Применяются для перекачки жидкостей, обладающих смазывающей способностью, при отсутствии абразивных примесей. Схема рабочей части трехвинтового насоса показана на рисунке 8.20. Стальные винты ведущий 1 и ведомые 2 заключены в обойму 3. Нарезка винтов двухзаходная с циклоидным зацеплением: левая — на ведущем винте и правая — на ведомых винтах. Роторно-пластинчатые насосы. Простейшая схема такого насоса представлена на рисунке 8.21. В корпусе 1 вращается массивный ротор 2, эксцентрично расположенный относительно внутренней цилиндрической поверхности статора. В радиальных пазах, выфрезированных в роторе 2, перемещаются пластины 3. Внутренняя полость корпуса 1 выполнена так, что полость всасывания 4 и полость нагнетания 5 отделены 121 Рис.8.21. Схема роторнопластинчатого насоса. одна от другой пластинами и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. Вследствие наличия эксцентриситета е при вращении ротора 2 жидкость переносится из полости 4 в полость 5 в межлопастных пространствах А. Если эксцентриситет е уменьшать смещением ротора вверх, то и в нижней части ротора будет образовываться межлопастное пространство. При е = 0 объемы межлопастных пространств меняться не будут и подача будет равна нулю. Радиально-поршневые насосы. В радиально-поршневом насосе поршни 1 (рис. 8.22) вращаются вместе с ротором-блоком цилиндров 2 и одновременно участвуют в возвратно-поступательном движении в радиальном направлении внутри цилиндров. Это происходит из-за эксцентричного расположения ротора относительно статора. При вращении сферические головки поршней упираются в кольцевую направляющую внутренней поверхности статора. Рис. 8.22. Схема радиальнопоршневого насоса Распределение жидкости осуществляется неподвижной цапфой 3 с прорезями 4 и 5, образующими всасывающую и нагнетательную полости. При вращении каждый цилиндр половину оборота (при выдвижении поршня) соединен окном с прорезью 4, а другую половину (при выдвижении поршня) — с прорезью 5. Осевые отверстия 6 и 7 соединяют прорези с подводящей и отводящей линиями. График подачи радиально-поршневых насосов равномерный. Регулирование подачи может осуществляться изменением эксцентриситета е. В насосах с регулируемой подачей предусмотрена возможность изменения эксцентриситета на ходу машины. Для этого статор насоса выполняется так, что имеет возможность перемещаться относительно вращающегося ротора. Переход центра статора через центр ротора ведет к изменению направления подачи насоса. В элементах гидропривода это ведет к изменению направления вращения 122 гидромотора. Давление, развиваемое радиально-поршневым насосом, может достигать 30 МПа. Аксиально-поршневые насосы. Аксиально-поршневые насосы отличаются наибольшей компактностью и имеют, как правило, наименьшую массу в сравнении с другими насосами при передаче равной мощности. Малые радиальные габариты насоса обеспечивают им малые моменты инерции, поэтому они способны быстро изменять частоту вращения. Эти динамические свойства обеспечили их широкое применение в качестве регулируемых насосов в гидроприводах. По кинематическим схемам различают аксиально-поршневые насосы с наклонным блоком цилиндров и с наклонным диском. Рис. 8.23. Схема аксиально-поршневого насоса с наклонным диском. Принципиальная схема устройства насоса с наклонным диском представлена на рисунке 8.23. В роторе 1 (блоке цилиндров) вдоль его оси выполнены цилиндры, в которых перемещаются под действием пружины поршни 2. Сферические головки поршней упираются в диск 3, плоскость которого наклонена к перпендикулярной оси вала диска под углом у. В регулируемых насосах угол наклона диска может меняться в процессе работы насоса, благодаря чему меняются ход поршня и подача насоса. Для подвода и отвода жидкости от цилиндров служит торцевая распределительная система, выполненная в виде двух полукольцевых полостей 5, с которыми периодически сообщаются полости цилиндров через окна 6. Одна из полу кольцевых полостей соединена со всасывающей линией, другая — с нагнетательной. При вращении блока цилиндров поршень, упираясь в наклонный диск, периодически то выдвигается из цилиндра, осуществляя такт всасывания, то задвигается, осуществляя такт нагнетания жидкости. 123 8.13. КОНСТРУКЦИЯ И РАБОТА НАСОСОВ ТРЕНИЯ Вихревые насосы. Конструкция вихревого насоса представлена на рисунке 8.24 (вверху). Рабочий орган насоса—рабочее колесо 1, представляющее собой диск, по бокам которого по внешнему диаметру, посредством фрезеровки выполнены лопатки 2. Рабочее колесо располагается в корпусе 3 насоса, концентрично кольцевому каналу 4, охватывающему торец рабочего колеса 1. Кольцевой канал выполнен в боковых и периферийной стенках корпуса. Канал прерывается перемычкой 5, расположенной между всасывающим 6 и нагнетательным 7 патрубками. Перемычка служит уплотнением между напорной и входной полостями. На напорном патрубке может монтироваться дополнительный узел 8, служащий для обеспечения самовсасывания насоса. Принцип работы насоса состоит в следующем. При вращении рабочего колеса 1 частицы жидкости в ячейках вращаются вместе с колесом и за счёт трения увлекают частицы жидкости, расположенные в кольцевом канале, охватывающем рабочее колесо. Одновременно на частицы между лопастями действует центробежная сила и они выбрасываются в кольцевой канал, а затем снова попадают на колесо, совершая вихревое движение, указанное стрелкой на рисунке 8.24. Рис. 8.24. Вихревой насос: вверху – схема конструкции; внизу – схема движения жидкости В результате происходит развитие движения с высокими тангенциальными скоростями с одновременным 124 образованием и разрушением вихрей и действием на жидкость центробежных сил. Напор вихревого насоса в 4...6 раз больше, чем центробежного, при тех же габаритах и частоте вращения. Большинство вихревых насосов самовсасывающие, т. е. обладают способностью при запуске засасывать жидкость без предварительного заполнения подводящего трубопровода. Для этой цели в колпаке 9 размещен воздуховод 10. В канале насоса благодаря интенсивному перемешиванию образуется газожидкостная эмульсия. Проходя через газоотвод, эмульсия закручивается, воздух собирается в центре и отводится через трубки, а жидкость по боковым каналам снова поступает на лопатки рабочего колеса. Снабженный узлом 8 вихревой насос способен перекачивать водовоздушную эмульсию. Благодаря компактности, высоким напорам, самовсасывающей способности, вихревые насосы получили широкое применение при перекачке легколетучих жидкостей, жидкостей, насыщенных газами, и химически агрессивных жидкостей. Струйные насосы. В струйных насосах подача осуществляется за счет передачи энергии перекачиваемой жидкости от высокоскоростного рабочего потока. Струнный насос, схема которого представлена на рисунке 8.25, а, содержит: напорную трубу 2 с соплом 3, из которого с большой скоростью вытекает струя жидкости, попадающая в смесительную камеру 4, заполненную перекачиваемой жидкостью. Рабочая струя, смешиваясь с жидкостью в рабочей камере, придает ей скорость, увлекая по диффузору 5 в напорный трубопровод 6. На место жидкости, отведенной в напорный трубопровод, по трубе 1 поступают новые порции. Схема насосной установки со струйным насосом изображена на рисунке 8.25. Рис. 8.25. Водоструйный насос: а – схема насоса; б – схема установки насоса. 125 Напор для рабочей жидкости может быть создан каким-либо другим насосом. Струйные насосы распространены довольно широко благодаря простоте устройства, малым габаритам, отсутствию подвижных рабочих частей в конструкции. Насосы способны подавать агрессивную жидкость, воду со значительным объемом абразивных примесей. Водоструйные водоподъемные установки применяются для подачи воды из скважин и шахтных колодцев для водоснабжения. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Какие машины называются гидравлическими? 2. Дайте классификацию насосов. 3. Назовите основные технические показатели насосов. 4. Как определить потребный напор насоса? 5. Что такое кавитация насосов? 6. От чего зависит высота всасывания? 7. Что называется характеристикой насоса? Что такое рабочая точка насоса и трубопровода? 8. Какие способы регулирования режима работы насоса существуют? 9. Когда применяют последовательное и параллельное соединение насосов? 126 9. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ 9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОДВИГАТЕЛЕЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ Гидродвигателем называется объемная гидромашина, предназначенная для преобразования энергии потока рабочей среды в энергию движения выходного звена. Гидродвигатели подразделяются на объемные гидродвигатели и турбины. Объемные гидродвигатели по характеру движения выходного звена делятся на гидроцилиндры (с поступательным движением выходного звена), поворотные гидродвигатели (с ограниченным углом поворота выходного звена) и гидромоторы (с неограниченным углом поворота выходного звена). Объемные гидродвигатели могут классифицироваться по тем же показателям, что и объемные насосы, но с учетом свойств их обратимости, под которыми понимается пригодность гидромашины для работы в качестве как насоса, так и гидромотора. Объемная гидромашина, предназначенная для работы в режиме как насоса, так и гидромотора, называется насосом-мотором. Всякая объемная гидромашина (насос и гидромотор) действует по принципу вытеснения жидкости. Ее рабочий орган захватывает в приемной полости машины некоторый объем жидкости, который затем перемещает к нагнетательной полости, в которую жидкость вытесняется под некоторым давлением из рабочего органа. При вращении вала насоса объем его камер изменяется, причем при рабочем цикле он уменьшается и заполняющая его жидкость вытесняется в нагнетательную полость; для гидродвигателя объем камер (камеры) при рабочем ходе увеличивается и жидкость, поступившая к нему от внешнего источника, заполняет эти камеры. Основные параметры гидродвигателя: рабочий объем V, расход Q, перепад давления Δр, крутящий момент Мкр, мощность N, а также объемный Q и механический ηмех КПД. Рабочий объем для гидромоторов поршневого типа V = FSiZ, (9.1) где F — площадь поршня, м2; S — ход поршня, м; i — число поршней; Z — число циклов за один оборот. Для гидроцилиндров V = FS, где S — ход поршня гидроцилиндра. Для гидромоторов возвратно-вращательного типа V = FS, 127 где S — ход пластины, измеренный по дуге, описанной ее центром тяжести. Идеальный расход жидкости через гидромотор за один оборот ротора Qт = Vn. (9.2) Действительный расход через гидромотор больше, чем идеальный, потому что, в отличие от насоса, утечки направлены в ту же сторону, что и основной поток. Поэтому объемный КПД гидромотора выражается не так, как для насоса, а именно: Q QT QT , Q QT QУ (9.3) где Qy — расход утечек. Частота вращения вала гидромотора с учетом объемного КПД n QQ V . (9.4) Перепад давления на гидромоторе определяется разностью между давлением на входе и на выходе: p p1 p2 . (9.5) Полезная мощность гидромотора равна произведению крутящего момента на его валу на угловую скорость вала: Nn = Мω. (9.6) Мощность, потребляемая гидромотором, N = QΔp. (9.7) Отношение Nu/N определяет общий КПД гидромотора, который равен произведению двух частных КПД — объемного и механического, т. е. N П / N Q мех. (9.8) М Q мех , или М Q мехQp. Qp (9.9) Тогда Заменив ω = 2πп, получим выражение для момента на валу гидромотора: М = VΔpηMex/2π = 0,159 В системе СИ N Qp (Вт); рQ мех . n М Q (9.10) ( H м), где Q — расход, м3/с; Δр — перепад давления, МПа; ω— угловая скорость, с-1. 128 9.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ГИДРОЦИЛИНДРОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОЦИЛИНДРОВ Гидроцилиндр — это объемный гидродвигатель с возвратнопоступательным движением выходного звена. В различных отраслях техники используются самые разнообразные как по конструкции, так и по функциональному назначению типы гидроцилиндров. В зависимости от конструкции рабочего звена они бывают: поршневые, плунжерные, мембранные, сильфонные, телескопические (рис. 9.1). Рис. 9.1. Конструктивные схемы гидроцилиндров: а – поршневой одностороннего действия; б – поршневой двустороннего действия; в – плунжерный; г – мембранный; д – сильфонный; е – телескопический; ж – со штоком, расположенным по обе стороны поршня Приведенные конструктивные схемы гидроцилиндров позволяют обеспечить полный ход выходного звена равным ходу рабочего звена и поэтому их принято называть одноступенчатыми гидроцилиндрами, А гидроцилиндры, у которых полный ход выходного звена равен сумме ходов всех рабочих звеньев, называются телескопическими (см. рис.9.1, е). В зависимости от числа поршней или плунжеров телескопические гидроцилиндры могут быть двухступенчатыми, трехступенчатыми и т. д. При этом ступень с наименьшим диаметром поршня или плунжера называется первой ступенью, следующая — второй ступенью и т. д. 129 Различают гидроцилиндры с односторонним и двусторонним штоком, понимая под первым поршневой гидроцилиндр со штоком с одной стороны и под вторым — гидроцилиндр со штоком, расположенным по обе стороны поршня (рис.9.1). Нередко целесообразно соединять с движущейся (перемещаемой) частью машины не шток, а корпус цилиндра. Жидкость в цилиндр в этом случае подводят через гибкие трубопроводы (шланги) либо через каналы в штоке. В гидросистемах тракторов и сельскохозяйственных машин применяют гидроцилиндры как поршневые, так и плунжерные. Плунжерные гидроцилиндры, в свою очередь, подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые (телескопические). В навесных системах тракторов, а также в машинах, в которых в процессе работы необходимо регулировать ход штока, используют в основном унифицированные поршневые гидроцилиндры типа Ц с рабочим давлением 10, 16 и 20 МПа. В гидросистемах сельскохозяйственных машин применяются в основном нормализованные поршневые гидроцилиндры, рассчитанные для работы на минеральных маслах в диапазоне температуры рабочей жидкости от —10 до +70°С. Максимальное давление для этих гидроцилиндров 16 МПа, скорость поршня — до 0,5 м/с. Плунжерные гидроцилиндры применяются для осуществления возвратнопоступательного движения рабочих органов, когда обратный ход этих органов происходит за счет собственной массы или за счет действия пружинных и других устройств. В частности, плунжерные гидроцилиндры применяются для подъема жатки зерноуборочного комбайна, в автопогрузчиках, в автомобиляхсамосвалах и др. Они работают на минеральных маслах при наибольшем рабочем давлении до 10 МПа со скоростью перемещения плунжера до 0,3 м/с. Телескопические гидроцилиндры применяют в сельскохозяйственных машинах, где требуется значительный ход штока при минимальных размерах корпуса гидроцилиндра; обратный ход в них осуществляется за счет массы рабочих органов (например, кузова самосвальных тележек, автомобилей). Телескопические гидроцилиндры рассчитаны для работы при номинальном давлении в гидросистеме до 10 МПа. В сельскохозяйственных машинах гидродвигатели поступательного движения (гидроцилиндры) используют в основном либо для перемещения и фиксации относительно друг друга различных узлов, либо для приведения рабочих органов машины в периодическое возвратно-поступательное движение. На сельскохозяйственных машинах кроме гидроцилиндров находят применение и гидродвигатели возвратно-поступательного движения (ДВП), которые применяются для приведения в действие режущих косилок, жаток, приспособлений для подрезки виноградной лозы и других механизмов. 130 Принято считать, что с повышением давления и соответственно с уменьшением размеров цилиндропоршневой группы улучшаются экономические показатели. Однако с повышением давления увеличивается толщина стенок цилиндра и трубопроводов, возрастает необходимость повышения точности изготовления, усложняется конструкция уплотнительных устройств для подвижных и неподвижных соединений, возникает необходимость в применении более дорогостоящих насосов и аппаратуры. Поэтому с повышением давления появляется ряд противоречивых требований, влияющих на экономическую эффективность. Общие затраты с повышением давления снижаются лишь до некоторого предела, а затем начинают возрастать. Можно констатировать, что оптимальное рабочее давление — это давление 25 ...30 МПа, при котором получается наибольший экономический эффект. В сельскохозяйственном машиностроении освоено производство гидроцилиндров на рабочее давление 16...20 МПа. Поэтому вопрос повышения рабочего давления в гидроприводах тракторного и сельскохозяйственного машиностроения остается открытым. Основные параметры поршневых гидроцилиндров — это движущее усилие Р на штоке и скорость поршня V. Данное усилие упрощено (без учета сил трения, противодавления в нерабочей полости и сил инерции) и определяется по формуле P = pF, (9.11) где р — давление жидкости, Па;. F — рабочая площадь поршня, м2. При этом для поршневого гидроцилиндра двустороннего действия при подаче жидкости в поршневую полость площадь F рассчитывается по выражению F= = D 2 , а при подаче в штоковую полость и для гидроцилиндра с 4 двусторонним штоком (при условии равенства диаметров правого и левого штоков): F D 2 d 2 4 , где D и d = d1 = d2 диаметры соответственно поршня и штока, м. Для случая d1 ≠ d2 эта площадь вычисляется так: при подаче жидкости в левую полость F D 2 d12 4 , (9.12) в правую — 131 F D2 d22 4 , (9.13) Для плунжерного гидроцилиндра рабочая площадь — это площадь сечения штока Fшт d 2 4 . Расчетную скорость поршня υ (без учета утечек жидкости) определим по формуле υ = Q/F. (9.14) Из приведенного выражения следует, что при одинаковой подаче жидкости в обе полости гидроцилиндра с односторонним штоком скорость штока при поступлении жидкости в штоковую полость будет больше скорости при подаче в поршневую полость в отношении D2 . D2 d 2 Следовательно, при использовании поршневых гидроцилиндров двустороннего действия представляется возможным путем выбора размеров D и d иметь большие усилия при ходе штока в одном направлении и высокие скорости при обратном ходе. Скорость поршня этого гидроцилиндра при подаче жидкости в поршневую (υп) и штоковую (υшт) полости определяется так: П 4Q 4Q ; . шт d 2 D2 d 2 (9.16) Таким образом, при соответствующем подборе диаметров штока и поршня можно получать различные движущие усилия и скорости поршня. 9.3. ПРИМЕНЕНИЕ ПОВОРОТНЫХ ГИДРОДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ Для возвратно-поворотных движений рабочих органов машин на угол, меньший 360°, широко используются поворотные гидродвигатели с возвратноповоротным относительно корпуса ограниченным движением выходного звена. Поворотный гидродвигатель определяется в общем случае как объемный с ограниченным углом поворота выходного звена. По виду рабочих органов поворотные гидродвигатели бывают шиберные, поршневые и мембранные. Шиберным поворотным (рис. 9.2) называется гидродвигатель с рабочими звеньями в виде шиберов. На практике распространены такие гидродвигатели, в которых рабочий орган — пластина или несколько пластин, жестко соединенных с валом двигателя. 132 На рис. 9.2 показана конструкция лопастного механизма, у которого рабочий цилиндр разделяется уплотняющей перегородкой 1 и лопастью 2 на две камеры. Уплотняющая перегородка прижимается к валу либо пластинчатой пружиной 3, либо гидравлическим способом. Основные параметры поворотных двигателей — это номинальное давление рном номинальный расход QН0M, крутящий момент, угловая скорость и угол поворота вала двигателя. Расчетная величина крутящего момента М на валу шиберного гидродвигателя с одной пластиной: M = (pр - pcл)FP, (9.16) где рр, рсл — соответственно давление рабочее и давление слива, Па; рр - рсл = Δр; F — площадь пластины; F = Р или Dd b ; Р — плечо приложения силы; 2 D Dd Dd ; b — ширина пластины, м, 2 4 4 pb 2 D d2 . 8 M (9.17) Угловая скорость ω вала определится из условия равенства расхода жидкости Q и объема, описываемого пластиной в единицу времени: Q = VокF, где V0K = ωР, отсюда 8Q . D d2 b 2 При наличии двух и более лопастей (рис. 9.2, 6) крутящий момент соответственно увеличивается, а угловая скорость уменьшается: 133 Рис. 9.2. Схемы шиберных поворотных гидродвигателей. Zpb 2 D d2 ; 8 8Q . Zb D 2 d 2 M (9.18) (9.19) где Z — число пластин. Углы поворота ротора при одной, двух и трех пластинах соответственно равны -280, 140 и 70°. Поршневым поворотным двигателем называется гидродвигатель с рабочими звеньями в виде поршней. На рис. 9.3, а показан двухпорш-невой поворотный гидродвигатель с реечным преобразователем, используемый на погрузчиках, экскаваторах сельскохозяйственного назначения, в горных и металлургических машинах и др. Недостаток этого гидродвигателя — наличие зазора в зацеплении, что приводит к появлению ударов при перемене знака нагрузки. Несколько лишены этого недостатка четырехпоршневые поворотные гидродвигатели с двумя реечно-зубчатыми передачами (см. рис. 9.3, б). Основные конструктивные элементы такого двигателя — корпус 1 и поршни 2, 4, 5 и 10, установленные в цилиндрических расточках корпуса. Поршни попарно жестко соединены зубчатыми рейками 3 и 6, которые входят в зацепление с зубчатым колесом 7. Выходное звено гидродвигателя — вал 9. Для выбора зазора и предохранения от поворота рейки вокруг продольной оси имеются два упора 8. Гидродвигатель имеет четыре рабочие камеры, которые при его функционировании соединяются попарно: А и В, Б и Г. Принцип работы гидродвигателя заключается в следующем. При подводе жидкости под давлением, например, в рабочие камеры А и В поршни 2 и 5 перемещаются в разные стороны. Вместе с поршнями передвигаются и рейки, которые поворачивают зубчатое колесо 7 с валом 9 по часовой стрелке. 134 Рис. 9.3. Схемы поршневых поворотных гидродвигателей Одновременно при этом рабочая жидкость поршнями 4 и 10 вытесняется из камер Б и Г в сливную линию гидросистемы. Если изменить направление потока рабочей жидкости и подвести ее под давлением в камеры Б и Г, то вал гидродвигателя повернется против часовой стрелки. Расчетный крутящий момент М и угловую скорость со на выходном валу поршневого гидродвигателя определяют по формулам М = р где d 2 4 d 2 DK Z 8 8Q . d 2 DK Z ; (9.20) (9.21) — площадь поршня, м2; d — диаметр поршня, м; DK — диаметр делительной окружности зубчатого колеса, м; Z — число поршней, работающих одновременно. Мембранным поворотным (рис. 9.4) называется гидродвигатель с рабочими звеньями в виде мембран. Принцип его работы заключается в следующем. При подводе рабочей жидкости под давлением, например, в рабочую камеру Б ползун 1 под действием силы давления переместится вниз, при этом свободный конец коромысла 2 совершит поворот по часовой стрелке. Одновременно объем рабочей камеры А уменьшается и рабочая жидкость вытесняется в сливную магистраль. Если изменить направление потока рабочей жидкости и подвести ее под давлением в камеру А, то коромысло повернется против часовой стрелки. Угол поворота коромысла рассматриваемых гидродвигателей не превышает 20° от нулевого (среднего) положения. 135 9.4. ГИДРОМОТОРЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКЕ Гидромотор — это объемный гидродвигатель вращательного движения. В различных отраслях народного хозяйства используются следующие типы гидромоторов: шестеренные с внешним и внутренним зацеплением, пластинчатые, радиально-порншевые, аксиально-поршневые и планетарные. Шестеренные гидромоторы унифицированы с шестеренными насосами, однако имеют некоторые особенности: высокий перепад давления, необходимый для начала работы, неустойчивая работа на малых оборотах и значительная пульсация крутящего момента. Полный и объемный КПД этих машин лишь в узком диапазоне чисел оборотов и нагрузок достигают значений соответственно 0,8 и 0,9, поэтому их применяют главным образом на маломощных и быстроходных приводах. Запускать их необходимо без нагрузки. Величина пускового момента достигает 0,3...0,4 от номинального. Для улучшения пусковых характеристик шестеренных гидромоторов используют различные конструктивные усовершенствования. Один из вариантов такого решения приведен на рис. 9.5. Пластинчатые гидромоторы по устройству и принципу работы подобны пластинчатым насосам. Однако большинство насосов этого типа не могут быть использованы как гидромоторы без изменения конструкции. Причина этого — широта диапазона изменения частоты и реверсивность гидромоторов. Реверсивность и, следовательно, отсутствие стабильных центробежных сил, выдвигающих пластины, требуют применения их принудительного выдвигания. Крутящий момент на валу гидромотора создается в процессе нагнетания (при подводе рабочей жидкости под давлением в рабочую камеру) в результате разности давления на две смежные пластины: М i pS1l1 S2l2 , (9.22) где р — давление рабочей жидкости, Па; S1 и S2 — рабочая площадь пластин, м2; l1 и l2 — плечо действия равнодействующей силы давления, м. Полный крутящий момент равен сумме составляющих моментов рабочих камер, соединенных с окном нагнетания, и определяется по формуле М = ΣМi. (9.23) 136 Планетарные гидромоторы характеризуются тем, что их ротор в процессе работы совершает сложное плоскопараллельное (планетарное) движение. Эти гидромашины зарекомендовали себя при работе в режиме гидромотора. С увеличением числа зубьев статора и ротора появилась возможность создания тихоходных высокомомеитпых гидромоторов (при высокой равномерности вращения вала), которые нашли широкое применение как в общем, так и в сельскохозяйственном машиностроении. Схема работы такого гидромотора показана на рис. 9.6, однако она непригодна для практического применения в таком виде. Для непрерывного преобразования энергии потока рабочей жидкости в механическую направляющая 1 должна быть бесконечной, поэтому ее выполняют в виде кольца, а для устранения проскальзывания па сопрягающихся поверхностях ротора 2 и направляющей 1 нарезают зубья. Зубчатые ротор 2 и направляющая 1 образуют основной отличительный узел планетарных гидромашин — силовое соединение. В основу конструкции последнего положен принцип работы пары с внутренним зацеплением, при этом число зубьев Z2 охватывающей шестерни на 1 зуб больше числа зубьев Z, охватываемой шестерни (т. е. Z2 = = Z1 + 1). В такой зубчатой паре соблюдаются одновременно условия обкатки и непрерывного контакта зубьев, обеспечивающего отделение зоны нагнетания от зоны слива. Так как гидравлическое поле движется параллельно направляющей (а она выполнена в виде кольца), оно вращается. При этом ротор 2 обкатывается по направляющей 1 с той же скоростью, что и гидравлическое поле, медленно поворачиваясь в противоположную сторону, т. е. оно играет роль кривошипа планетарного редуктора. На рис. 9.7 представлены четыре положения ротора планетарной гидромашины. На рис. 9.7, а отражен момент, когда с правой стороны плоскости симметрии А — А находится зона I давления жидкости, а с другой — зона II слива жидкости. На рис. 9.7, б зоны повернуты на 90°, на рис. 9.7, в на 180°, на рис. 9.7, г — на 270°. Таким образом, когда гидравлическое поле сделает полный оборот против часовой стрелки, ротор повернется в противоположную 3600 . сторону всего на один зуб, или на угол φ = Z1 137 При круговом профиле зубьев, разработанном применительно к гидромашинам, зацепление происходит в двух зонах — К и М, расположенных по одну сторону плоскости А — А, проходящей через полюс зацепления и центры направляющей и ротора. Наличие двух зон контакта обеспечивает при работе постоянную герметичность между зонами давления и слива. Рис. 9.7. Схема движения ротора и гидравлического поля Поворот гидравлического поля осуществляется распределительными устройствами, которые обеспечивают изменение положения гидравлического поля синхронно обкатыванию по замкнутой направляющей ротора. В зависимости от способа преобразования сложного плоскопланетарного движения ротора в концентричное вращение выходного вала кинематические схемы планетарных гидравлических машин могут быть четырех видов (рис. 9.8), отличающихся преобразующим механизмом. В гидравлических машинах I кинематической схемы планетарное движение ротора преобразуется в концентричное вращение выходного вала за счет кривошипного механизма; в машинах II схемы за счет дополнительного эвольвентного зацепления Z3 = Z4, размещенного в одной плоскости с зацеплением кругового профиля; в машинах III схемы — за счет подвижной муфты; в машинах IV схемы — дополнительной зубчатой пары внутреннего зацепления, сателлит которой соединен с ротором. Рис. 9.8. Кинематические схемы планетарных гидромашин Гидравлические машины в зависимости от кинематической схемы, по которой они собраны, при одних и тех же параметрах ротора различаются рабочими 138 характеристиками. Это объясняется тем, что расход жидкости на один оборот выходного вала в машинах I схемы меньше, чем во II; во II меньше, чем в III, а в III меньше, чем в IV. В машине I схемы за один оборот вала ротор совершает одно обкатывание по направляющей (т. е. происходит один цикл), в машине II схемы — Z1/2 циклов, в машине III схемы осуществляется Z1 циклов, а в машине IV схемы — Zlu циклов, причем и > 1. Планетарные машины I схемы относятся к быстроходным низкомоментным, II, III и IV схем — к тихоходным высокомоментным. При производстве планетарных гидромашин применяются четыре описанные кинематические схемы с различными известными и вновь созданными устройствами распределения жидкости: клапанным, золотниковым и непосредственно самим ротором. Сочетание каждого вида распределения с той или иной кинематической схемой, которые различаются преобразующим механизмом сложного плоскопараллельного движения ротора в концентричное вращение вала, дает новый вариант планетарной гидромашины. Регулирование частоты вращения вала гидромотора осуществляется чаще всего изменением объема жидкости, поступающей от насоса. Изменение этой частоты достигается изменением параметров регулирования только насоса или только гидромотора, либо обоих устройств. При постоянной частоте вращения вала насоса изменение регулировочного параметра в нем будет вызывать линейное изменение производительности, а следовательно, частоты вращения вала гидромотора и его мощности. Крутящий момент Мr на этом валу зависит от внешней нагрузки, однако при постоянном рабочем объеме гидромотора будет неизменным на всем диапазоне регулирования насоса. Это характерно для данного способа регулирования, поэтому приводы с таким насосом называются передачами с регулированием при постоянном моменте. Для изменения крутящего момента на валу гидромотора используют второй способ регулирования, т. е. насос обладает постоянной производительностью, а регулируют гидромотор. При этом частота вращения вала последнего изменяется по гиперболическому закону, а мощность остается постоянной на всем диапазоне регулирования. Передачи такого рода носят название передач с регулированием при постоянной мощности. Возможен также вариант, при котором параметры регулирования насоса и гидромотора изменяются одновременно при помощи механических связей. Если параметр регулирования насоса растет, то одновременно с этим уменьшается аналогичный параметр в гидромоторе. Передаточное отношение е такой идеальной передачи изменяется от нуля до бесконечности. При постоянной частоте вращения п насоса частота вращения выходного вала гидромотора растет от нуля при eн = 0 до бесконечности при ен = 1. Если ен = ег, то пн = пГ. 139 В зависимости от режима работы исполнительного механизма на практике применяются различные схемы подключения гидромотора в систему. 9.5. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН Гидравлической турбиной называется ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию водяного потока (энергию положения, давления и скорости) в энергию вращающегося вала. Гидравлическая турбина состоит из рабочего колеса с лопастями специального профиля и устройств, подводящих воду к рабочему колесу и отводящих ее от него. Общую классификацию турбин проводят по следующим признакам. По принципу действия, т. е. в зависимости от основных видов энергии на рабочем колесе, турбины делят на реактивные и активные. По конструктивным признакам, т. е. по форме рабочего колеса и условиям движения жидкости в его лопастной системе, реактивные турбины бывают осевые, диагональные и радиалъно-осевые; активные — ковшовые, наклонно-струйные и двукратные. Область применения турбин определяется в зависимости от создаваемого напора. При напоре до 70 м используют осевые турбины. Диагональные предназначены для диапазона напора от 40 до 200 м. В пределах напора 50...700 м применяют радиально-осевые турбины. Ковшовые используют при высоком напоре (от 200 до 2 000 м). Для общего сравнения всех типов и серий турбин, классификации их по скорости и подбора применяют критерий, который называется коэффициентом быстроходности. Коэффициент быстроходности — частота вращения такой эталонной гидравлической турбины, которая при напоре 1 м развивает мощность 0,736 кВт. По коэффициенту быстроходности турбины делятся на тихоходные, средней быстроходности, быстроходные и сверхбыстроходные. Быстроходность зависит от формы и количества лопастей рабочего колеса. С увеличением значения коэффициента быстроходности размеры рабочего колеса и число лопастей уменьшаются. По величине развиваемой мощности турбины условно делятся на мелкие (мощность до 0,05 МВт), малые (0,05...0,5 МВт), средние (0,5...5 МВт), крупные (свыше 5 МВт). 140 Активные турбины — это турбины, в которых используется только кинетическая энергия струи, свободно вытекающей из сопла и действующей только на часть лопастей (ковшей) рабочего колеса. Принципиальную схему устройства активной турбины рассмотрим на примере ковшовой турбины (см. рис. 9.9). Рис. 9.9. Схема ковшовой турбины. К основным элементам ковшовой турбины относят сопло 1, к которому вода подводится по трубопроводу 2, и рабочее колесо 3, установленное на валу 4. Лопасти 5 выполнены в виде ковшей. Каждая лопасть 5 состоит из двух криволинейных поверхностей, разделенных ножом 6. Сопло 1 и рабочее колесо 3 установлены выше уровня воды, а поперечная ось симметрии ножей совпадает с осью струи. Рабочее колесо 3 с общим числом лопастей 12...40 вращается в воздухе. Прорезь 7 предохраняет удар тыльной стороны лопасти о струю в момент вращения колеса 3. Струя при попадании на лопасть 5 делится ножом 6 на две равные части, которые обтекают криволинейную поверхность и за счет изменения скорости движения воды и ее направления создают давление на лопасть; при этом возникает момент, вращающий рабочее колесо 3. Следовательно, поток оказывает на ковши только активное давление. Игла 8 служит для регулирования мощности турбины за счет изменения расхода. Реактивные турбины используют в основном потенциальную энергию, т. е. НСТ>0 (Еп>0). Поток при входе на лопасти имеет избыточное давление по сравнению с потоком, выходящим из турбины. 141 Рис. 9.10. Схема поворотнолопастной турбины. Поворотно-лопастная турбина (см. рис. 9.10) состоит из поворотных лопастей 1 рабочего колеса, число которых зависит от конструкции и может быть от 3 до 8, отсасывающей трубы 2, втулки 3 рабочего колеса, предназначенной для крепления лопастей 1, поворотной лопатки 4 направляющего аппарата и вала турбины 5. Реактивные турбины используют в основном потенциальную энергию и характеризуются сплошным потоком, по мере протекания которого по изогнутым лопастям рабочего колеса избыточное давление постоянно уменьшается, а скорость увеличивается, вследствие чего поток оказывает реактивное давление на лопасти, вращая рабочее колесо. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Чем отличается гидродвигатель от насоса? 2. Дайте классификацию гидродвигатслей. 3. Назовите основные параметры гидроцилиндров, поворотных гидродвигателей и гидромоторов. 142 10.ВЕНТИЛЯТОРЫ И КОМПРЕССОРЫ 10.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕНТИЛЯТОРОВ Вентиляторы — это машины, предназначенные для перемещения газовой среды за счет сообщения ей дополнительной энергии. Вентиляторы классифицируют по следующим признакам: а) по принципу действия — центробежные (радиальные) и осе вые; б) по величине развиваемого давления — низкого (ртах < < 0,981 кПа), среднего (0,981 < ртах < 2,94 кПа) и высокого (2,94 < < ртах < 11,772 кПа); в) по быстроходности — малой, средней и большой, соответственно коэффициент быстроходности пу = 11...30; пу = 30... 60; пу =60...80. Кроме того, вентиляторы классифицируются по назначению, компоновочной схеме и типу привода. По первому признаку они бывают: общего назначения — для перемещения воздуха с температурой не более 800С; термостойкие — газовой среды с температурой более 80°С; пылевые — газовой среды с наличием примеси твердых частит антикоррозионные — для транспортирования агрессивной газовой среды; взрывобезопасные — для перемещения взрывоопасных газов. По компоновочной схеме вентиляторы делятся на одноступенчатые, двухступенчатые; с направляющим аппаратом и без него; крышные и потолочные. Рис. 10.1. Схема центробежного вентилятора: 1 – лопастное радиальное колесо; 2 – спиральный корпус; 3 – выходной патрубок; 4 – подвод. В сельскохозяйственном производстве наибольшее распространение получили центробежные вентиляторы. Они используются в зерноочистительных машинах, в 143 опрыскивателях, для пневмотранспорта, для кондиционирования помещений, и кабин мобильных сельскохозяйственных машин и, т. д. Центробежный вентилятор (см. рис. 10.1) состоит из лопастного радиального колеса 1, спирального корпуса (кожух или улитка) 2, выходного патрубка 3 и подвода 4. Рабочий процесс вентилятора осуществляется следующим образом: газовая среда к рабочему колесу поступает в осевом направлении через подвод 4, в котором устанавливают поворотные лопатки для регулирования подачи вентилятора. В рабочем колесе направление движения газовой среды изменяется под углом 90°, т. е. среда в рабочем колесе центробежного вентилятора движется радиально. При этом механическая энергия привода превращается в энергию перемещения газовой среды. Под действием центробежных сил газовая среда, находящаяся в межлопастных пространствах, повышает свою энергию и выбрасывается в спиральный канал, образованный корпусом 2, и далее — в напорный патрубок постоянного сечения. В спиральном корпусе 2 энергия скорости газовой среды частично преобразуется в потенциальную энергию давления, а другая часть, в зависимости от степени реактивности рабочего колеса,— в кинетическую энергию скоростного напора. Воздух, поступающий с большой скоростью из рабочего колеса, тормозится в кожухе вентилятора. При этом скоростной напор преобразуется в потенциальную энергию давления. Спиральная форма кожуха способствует этому процессу. Расширяющийся канал вызывает уменьшение скорости и увеличение давления. Получаемое на выходе из вентилятора избыточное Давление идет на преодоление сопротивления в системе воздуховодов. В зависимости от назначения вентилятора рабочие колеса могут иметь лопатки трех типов: загнутые вперед, радиальные и отогнутые назад. Колеса с лопатками, отогнутыми назад, применяются в вентиляторах низкого давления. 144 Рис. 10.2. Схема осевых вентиляторов: а – с направляющим аппаратом; б – без направляющего аппарата (типа МЦ): 1 – горловина; 2 – направляющий аппарат; 3 – рабочее колесо; 4 – выправляющий аппарат; 5 – диффузор; 6 – корпус; 7 – электродвигатель; 8 – кронштейн; 9 – опорная стойка. Осевой вентилятор (см. рис. 10.2) состоит из входной горловины 1, которая служит для обеспечения входа газовой среды в проточную часть вентилятора, входного направляющего аппарата 2, служащего для регулирования работы вентилятора, рабочего колеса 3, выправляющего аппарата 4, диффузора 5, корпуса 6 и электродвигателя 7, установленного на кронштейне 8, который закреплен на опорной стойке 9. При вращении рабочего колеса 3 газовая среда через горловину 1 плавно входит в проточную часть вентилятора. В рабочем колесе 3 происходит превращение энергии газовой среды за счет сильной закрутки, поворота и перемещения в осевом направлении. На выправляющем аппарате и происходят ликвидация закрутки потока и преобразование кинетической энергии газа в энергию давления. Далее поток газовой среды поступает в выпускное окно. Регулирование подачи осевых вентиляторов может осуществляться четырьмя способами: изменением частоты вращения, направляющим аппаратом на входе, поворотом лопастей и одновременно двумя последними способами. Осевые вентиляторы главным образом используются для санитарнотехнических и производственных целей. Достоинство осевых вентиляторов 145 состоит в том, что при изменении направления вращения рабочего колеса изменяется направление движения потока, т. е. они реверсивны. Другие типы вентиляторов, в основном представляют собой модернизацию радиальных (центробежных) вентиляторов. К ним относятся прямоточный, смерчевой, дисковый, вихревой, диаметральный и крышный. В прямоточном вентиляторе (см. рис. 10.3, а) поток с лопаточного колеса направляется в спиральный корпус по диагонали. Такие вентиляторы применяются в установках с малыми габаритами по радиусу. У смерчевых вентиляторов (см. рис.10.3, б) при вращении колеса, впереди него, возникает смерчеобразное (круговое) движение воздуха, благодаря чему примеси проходят, минуя колесо. Такие вентиляторы нашли применение в качестве пылевых в тех случаях, когда возникает опасность механического повреждения пылевых примесей и самих лопаток. Дисковый вентилятор (см. рис.10.3, в) имеет рабочее колесо в виде дисков-колец, расположенных на незначительном расстоянии друг от друга. Их используют в том случае, когда шум недопустим, например в кондиционерах. В вихревом вентиляторе (рис. 10.3, г) рабочим колесом служит втулка с выступающими радиально-открытыми лопатками, располагаемая в цилиндрическом корпусе. Благодаря этому вихревой вентилятор при относительно малой производительности создает высокое давление, работая сравнительно бесшумно. Однако конструктивно он достаточно сложен. Диаметральный вентилятор (рис.10.3, д) имеет рабочее колесо с загнутыми вперед лопатками, которое частично установлено в коленообразном корпусе. При вращении рабочего колеса образуется вихревое несимметричное поле, вызывающее двукратное прохождение потока по диаметру, через вращающуюся решетку колеса. Такие вентиляторы также создают высокое давление; их применяют для создания воздушных завес, обдува электронной аппаратуры и т. п. Вентиляторы любого типа, расположенные на вертикальной оси в коротком патрубке в отверстии через кровлю, называют крышными (рис.10.3, е и ж). Такие вентиляторы предназначены прежде всего для вытяжной бессетевой вентиляции производственных помещений. Перечисленные вентиляторы имеют несколько меньший КПД, чем центробежные и осевые. 146 Рис. 10.3. Схемы других типов вентиляторов: а – прямоточный; б – смерчевой; в – дисковый; д – диаметральный; е и ж – крышный. Центробежные вентиляторы в зависимости от подачи проектируются сериями, состоящими из нескольких разных по размерам, но обычно геометрически подобных номеров. Номер такого вентилятора определяется наружным диаметром рабочего колеса в дециметрах. Осевые вентиляторы используют при давлении 30... 1 000 Па (при ρ = 1,2 3 кг/м и подаче до 130 м3/с). Номер осевого вентилятора устанавливается по диаметру рабочего колеса, выраженному в дециметрах. Рабочие колеса могут иметь размер от 250 до 2 000 мм. Энергетические параметры работы вентиляторов характеризуются подачей, давлением, КПД и мощностью. Объёмная подача вентилятора — это объем газовой среды, перемещаемой в единицу времени, она определяется по 147 действительным условиям на всасывании или нагнетании либо ее приведением к нормальным условиям: t = 20 °С, р = 760 мм рт. ст. (101,325 кПа); ρ = 1,2 кг/м3, относительная влажность 50 %. 10.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕНТИЛЯТОРОВ И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ Характеристиками вентилятора называются графические зависимости давления (напора), мощности и КПД от подачи. Различают аэродинамические и безразмерные аэродинамические характеристики. Их строят на основании испытания вентиляторов при постоянной частоте вращения для воздуха с плотностью ρ = 1,2 кг/м3. Типичная аэродинамичная (полная) характеристика представлена па рис. Рис. 10.4. Полная характеристика 10.1. вентилятора. Полные характеристики вентилятора наглядно отражают особенности их работы и позволяют подобрать для данного воздухопровода наиболее экономичный вентилятор. Очень важной является характеристика давления (напорная характеристика), которая устанавливает его графическую зависимость от подачи (рис. 10.2). Характеристика давления может представлять собой непрерывную падающую кривую 3 или падающую кривую 2 с выгибом. Это объясняется тем, что при изменении подачи изменяются скорость потока на выходе из рабочего колеса, а, следовательно, и величина гидравлических потерь внутри него, которые могут меняться неравномерно. Если же изменение скорости в процессе работы не учитывать, то характеристика будет представлять собой прямую 1, параллельную оси. Однако на практике кривая р = f(Q) не может быть прямолинейной. Причем для разной частоты вращения рабочего колеса будут соответствующие ей характеристики. 148 Рис. 10.5. Характеристика давления вентилятора р f (a) Применять вентиляторы с седлообразной формой значительном статическом напоре на сеть нежелательно. характеристики при 10.3. ВЫБОР ВЕНТИЛЯТОРА. КОЭФФИЦИЕНТ БЫСТРОХОДНОСТИ ВЕНТИЛЯТОРА Выбор вентилятора производят по характеристикам на основании расчета сети по подаче и давлению. Кроме того, руководствуются конструктивными и эксплуатационными параметрами. Выбранная машина должна работать наиболее экономично, т. е. с максимальным КПД. Перед выбором типа вентилятора желательно определить коэффициент его быстроходности. При пу > 100 предпочтение отдают объемному вентилятору, при nу < 100 — радиальному. В качестве критерия может служить давление. При р > 300 Па рекомендуется центробежный вентилятор. После определения типа выбирают подходящую серию по расчетному давлению. Затем устанавливают размер (номер) вентилятора и на его характеристике р = f(Q) по точке пересечения Q и р определяют частоту вращения и КПД. Мощность вентилятора находят по формуле NП Qp , 1000 а мощность приводного двигателя принимается N ДВ m Qp , 1000 П где т = 1,05...1,2 — коэффициент запаса мощности; ηп — КПД передачи; ηп = 1 при соединении двигателя с вентилятором через муфту; ηп = 0,92 — при клиноременной передаче. Обозначение вентилятора состоит из буквы: центробежного — Ц, центробежно-пылевого — ЦП, пятикратного значения коэффициента полного давления, коэффициента быстроходности и номера вентилятора. Например: Ц470 - 4 — номер вентилятора, где Ц — центробежный; 4 — коэффициент полного давления при ψ = 0,85; 70 коэффициент быстроходности. Пример обозначения осевого вентилятора: 06-300 № 6,3. 10.4. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПРЕССОРОВ Компрессоры это машины для сжатия и перемещения газовой среды; их основные параметры — объемная подача Q, давление на входе р1, давление на выходе р2 или степень повышения давления ε = p1/р2; частота вращения п и мощность N на валу компрессора. 149 Компрессоры классифицируются по следующим признакам: по принципу действия — объемные, лопастные (турбокомпрессоры) и струйные; по конструкции объемные подразделяются на поршневые, роторные, свободнопоршневые и мембранные, а турбокомпрессоры — на центробежные и осевые. Объемный компрессор — это машина, в которой процесс повышения давления происходит в результате периодического уменьшения объема, занимаемого газовой средой. Турбокомпрессор — это машина, в которой создание ускорений в потоке газовой среды происходит в результате взаимодействия с ним вращающейся решетки лопаток. По назначению компрессоры классифицируются по отрасли техники или производства, в зависимости от рода сжимаемого газа и по непосредственному назначению (гаражные, тормозные и др.). По конечному давлению различают: вакуум-компрессоры для отсасывания газа с давлением ниже атмосферного или нагнетания до атмосферного или выше; газодувки — для нагнетания газа при давлении до 0,3 МПа; компрессоры низкого давления (0,3...1,2 МПа), среднего (1,2...10 МПа), высокого (10...100 МПа) и сверхвысокого давления (свыше 100 МПа). По подаче выделяют микрокомпрессоры, компрессоры малой, средней и большой подачи. По типу привода бывают компрессоры с приводом от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания и турбины. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Для чего предназначены вентиляторы? 2. Дайте классификацию вентиляторов. 3. Что называется характеристикой вентилятора? 4. Как осуществляется выбор вентилятора? 5. Что такое коэффициент быстроходности? 6. По каким признакам классифицируются компрессоры? 150 11. ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОПРИВОД 11.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОПРИВОДА Гидропривод — это совокупность устройств, которые предназначены для приведения в движение механизмов и машин с помощью рабочей жидкости под давлением. Понятие гидропривода отождествляют с понятием гидросистемы. Значит, гидросистема — это совокупность гидроустройств, входящих в состав объемного гидропривода. Основной элемент гидропривода — гидропередача, рабочая жидкость которой — это минеральные масла, реже специальные жидкости и вода. Гидропередачи, входящие в систему гидропривода, подразделяют на 2 основные группы: гидростатические (объемные) и гидродинамические. Преимущества гидропривода. Гидропривод широко применяется на тракторах и машинах сельскохозяйственного назначения, так как он позволяет улучшить эксплуатационные и технико-экономические характеристики машин и механизмов. Это обусловлено рядом его преимуществ перед механическими приводами: а) независимость взаимного расположения узлов гидропривода; б) малые габариты и высокая передаваемая мощность на единицу массы; в) возможность получения больших передаточных отношений без применения механических редукторов; г) простота разветвления мощности без кинематических сложных и малонадежных приводов со значительным количеством цепей, рем ней, карданных валов и других элементов механических передач; д) широкая унификация в пределах ряда машиностроительных отраслей; е) надежное предохранение рабочих органов от перегрузок; ж) возможность бесступенчатого регулирования скоростных режимов и легкость управления; з) снижение затрат времени на регулировку и техническое обслуживание машин; и) возможность автоматизации процесса управления; к) улучшение условий работы механизатора. Недостатки гидропривода: а) влияние температуры внешней среды на параметры гидропере дачи; б) высокие потери мощности на преодоление трения рабочей жидкости в гидролиниях, потери с внутренними и внешними утечками рабочей жидкости; 151 в) возможные нарушения работы гидропривода вследствие наличия воздуха в системе; г) сжимаемость рабочей жидкости, ограниченность быстродействия. Общая характеристика гидропривода. По назначению гидроприводы тракторов и сельскохозяйственных машин делятся на 3 группы: - гидроприводы рабочих органов; - гидроприводы дистанционного управления; - гидроприводы ходовой части гидротрансмиссии. В первой группе выделяют: - гидроприводы активных рабочих органов; - гидроприводы управления положением рабочих органов. Гидроприводы активных рабочих органов обеспечивают передачу энергии непосредственно к рабочим органам машины для выполнения непрерывного или циклически повторяющегося процесса. В зависимости от особенностей технологического процесса гидроприводы обеспечивают постоянную или переменную скорость движения рабочего органа, причем могут быть реверсивными или нереверсивными по направлению движения. Гидроприводы управления положением рабочего органа устанавливают или фиксируют эти органы в заданном положении относительно сельскохозяйственной машины. Среди гидроприводов дистанционного управления наиболее известен гидропривод рулевого управления, который предназначен для уменьшения усилий, необходимых для управления самоходной машиной, и обеспечивает передачу энергии от вала двигателя внутреннего сгорания к механизму поворота, при этом от механизатора требуется усилие только для перемещения гидравлических распределительных устройств. Гидротрансмиссии выполняют следующие функции: 1) передача энергии, необходимой для движения самоходной машины при постоянной частоте вращения вала двигателя внутреннего сгорания; 2) динамическое торможение самоходной машины, достигаемое уменьшением подачи насоса. Управление гидротрансмиссией осуществляется одной рукояткой или педалью, что резко снижает физическую нагрузку на механизатора. Все это позволяет намного повысить производительность самоходных машин в сравнении с прицепными. Объемный гидропривод — это такой гидропривод, основой которого является объемная гидропередача. Она состоит из объемного насоса, объемного гидродвигателя, регулирующей, распределительной и предохранительной аппаратуры и магистральной линии. Объемные гидроприводы классифицируются следующим образом: а) по характеру движения выходного звена — поступательные, поворотные и вращательного движения; 152 б) по источнику подачи рабочей среды — насосные, аккумулятор ные и магистральные; в) по циркуляции рабочей среды — с разомкнутым и замкнутым потоком; г) по наличию управления и типу управляющего устройства — с дроссельным, машинным, с машинно-дроссельным типами управления, с управлением противодавлением, с управлением приводящим двигателем или без управления. В зависимости от задачи управления гидроприводы с автоматическим управлением бывают стабилизирующие, программные и следящие. В гидроприводах поступательного движения объемный гидродвигатель — это гидроцилиндр, поворотного движения — поворотный гидродвигатель, а вращательного движения — гидромотор. Гидроприводы также различают по источнику подачи рабочей среды. Наиболее широко в технике применяются насосные, в которых рабочая жидкость от насоса поступает в гидродвигатель. В других тинах гидроприводов это происходит либо от пневмогидроаккумулятора — аккумуляторный гидропривод, либо от общей, питающей несколько гидроприводов магистрали — магистральный гидропривод. Насосный гидропривод, в котором рабочая жидкость от объемного гидродвигателя поступает в гидробак, называется гидроприводом с разомкнутым потоком; от объемного гидродвигателя идет непосредственно на вход насоса — с замкнутым потоком. Гидропривод с разомкнутым потоком используется при небольшой частоте вращения или скорости перемещения рабочего органа, а также при нереверсивной его работе. При необходимости обеспечения реверсивного характера работы и управления параметрами выходного звена применяют гидропривод с замкнутым потоком. При этом внутренние утечки рабочей жидкости в элементах гидропривода компенсируются специальным дополнительным насосом. Объемный гидропривод с изменяющимися параметрами движения выходного звена называется управляемым; если эти параметры, в частности скорость, не изменяются, — неуправляемым. Из трех видов механической энергии жидкости (Z — удельная энергия положения, Р - удельная энергия давления, u2 удельная кинетическая 2g энергия) в объемных гидроприводах используется удельная энергия давления, которая с помощью объемных гидродвигателей преобразовывается в механическую работу. Принцип действия объемного гидропривода основан на законе Паскаля и высоком модуле объемного сжатия рабочей жидкости. На этом принципе базируется работа многих гидроприводов различных машин. Движение от одного 153 подвижного звена к другому передается замкнутым между ними объемом жидкости, давление которой зависит от величины внешней нагрузки, поэтому все гидравлические передачи этого типа именуют гидрообъемными или гидростатическими. Второе название указывает на использование статического напора жидкости, как в водонапорной башне. Основные силовые и скоростные параметры объемных гидроприводов — давление, расход рабочей жидкости, мощность гидропривода. Управляемые гидроприводы подразделяются: по конструкции регулирующего устройства — с дроссельным, объемным машинным и объемно-дроссельным регулированием; по способу автоматизации регулирования — с автоматическим и ручным регулированием; по задачам регулирования — стабилизирующие, программные и следящие. В гидроприводе с дроссельным регулированием скорости движения выходных звеньев гидродвигателей изменяют с помощью регулирующих гидроагрегатов, а в гидроприводе с объемным регулированием — регулирующих гидромашин. В стабилизирующем гидроприводе скорость движения выходного звена гидродвигателя поддерживается постоянной, в программном — изменяется по заданной программе, в следящем — по определенному закону в зависимости от заданного воздействия, величина которого заранее неизвестна. В сельскохозяйственных машинах наибольшее применение находят гидроприводы с дроссельным регулированием, а в самоходных с гидротрансмиссией — с объемным. 11.2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА К выбору параметров и расчету гидропривода машины можно приступать при наличии: технической характеристики и схемы машины, соответствующим звеном которой должен быть гидропривод; четкого представления о назначении гидропривода и требованиях, предъявляемых к нему; выходных параметров гидропривода — усилия на штоке гидроцилиндра и скорости движения исполнительного механизма с поступательным движением, крутящего момента и частоты вращения выходного вала исполнительного механизма с вращательным движением; принципиальной схемы гидропривода.. 154 На первом этапе оценивают мощность и выбирают тип гидропривода. Оценка необходимой мощности насосного агрегата производится по формуле NН N , (11.1) NH - мощность насосной станции, кВт; N — мощность для привода рабочих органов, кВт; N =10-3 . Qrp, кВт; Qr — расход гидродвигателя, м3/с; р — давление жидкости, Па; η — КПД гидропривода; η ≈ 0,6...0,8. Полученное значение мощности сравнивается с номинальным для гидропривода трактора, автомобиля, шасси, с которыми агрегатируется создаваемая машина. 11.2.1. ВЫБОР ГИДРОЦИЛИНДРА Выбор гидроцилиндра при проектировании гидросистем осуществляется по соответствующим каталогам или отраслевым стандартам. При определении его типа и марки прежде всего необходимо рассчитать основные конструктивные параметры (внутренний диаметр цилиндра D и диаметр штока d). Внутренний диаметр цилиндра определяется в зависимости от значения и направления действующей нагрузки. Уравнение равновесия сил, действующих на поршень, представим в виде р1F1 p2 F2 PФ 0, (11.2) где р1, p2 — давление в полостях цилиндра, соединенных соответственно с напорной и сливной гидролиниями, Па; F1, F2 — площадь поршня со стороны соответственно напорной и сливной гидролиний, м2; Рф — фактическая нагрузка без учета инерционных сил, Н, с учетом механического КПД гидроцилиндра Рф = Р/η мех. Для гидроцилиндра с односторонним штоком, работающим на сжатие при выталкивании поршня (рис. 11.1, а), диаметр определяется по формуле p D 35,7 P / p1 2 мех , (11.3) где Р — заданное рабочее усилие, кН; р1, р2 — давление, соответственно, в FП D2 напорной и сливной полостях гидроцилиндра, МПа; FШ D 2 d 2 отношение площадей поршня со стороны соответственно поршневой и штоковой полостей. 155 Если шток работает на растяжение при втягивании поршня (рис. 11.1, б), то штоковая полость соединена с напорной гидролинией, а поршневая — со сливной. Диаметр гидроцилиндра в атом случае (11.4) D 35,7 P / p1 / p2 мех . Рис. 11.1. Схемы к расчёту по выбору гидроцилиндра: а – шток работает на сжатие; б – шток работает на растяжение. Противодавление р2 определяется гидравлическими потерями, которые равны сумме потерь на линейных и местных сопротивлениях трубопроводов и гидроаппаратов, установленных на сливной гидролинии. При расчёте предварительно примем р1= рн, р2 = 0,3,…,0,5 МПа, затем уточним принятое давление после выполнения гидравлического расчёта. Коэффициент отношения площадей в зависимости от исполнения цилиндра может принимать значения: с уменьшенным диаметром штока ψ = 1,25; с нормальным диаметром штока ψ = 1,33; с увеличенным диаметром штока ψ = 1,6. Большие значения ψ принимают для гидроцилиндров с большим ходом. Если необходимо обеспечить одинаковую скорость при прямом и обратном ходе, то ψ = 2 и гидроцилиндр подключают по дифференциальной схеме. Значение ψ можно также определить в зависимости от требуемого соотношения скоростей прямого и обратного υоб хода: п / об . Для гидроцилиндров с двусторонним штоком ψ = 1. Механический КПД гидроцилиндра зависит от вида применяемых уплотнений. Для гидроцилиндров с манжетными уплотнениями η мех = 0,93 ...0,97, с резиновыми уплотнениями и металлическими кольцами η мех = 0,95... 0,97. Расчетные диаметры гидроцилиндра и штока округляют до ближайшего по ГОСТ 12447—80, мм: 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800 (дополнительный ряд, мм: 14, 18, 22, 28, 36, 45, 56, 70, 90, ПО, 140, 180, 220,280,360,450, 560,710). 156 Диаметр штока d определяют из соотношения d D 1 1/ . (11.5) Диаметр подводящих и отводящих отверстий dn 4,6 Q / , (11.6) где Q — подача жидкости через подводящее отверстие; υ — средняя скорость жидкости, м/с; υ = 5м/с. 11.2.2. ВЫБОР ГИДРОМОТОРА Выбор гидромотора базируется на расчете основных его параметров. Исходные данные — крутящий момент Мкр и частота вращения выходного вала п. Если отношение Мкр/п > 10, гидромотор высоко-моментный, при Мкр /п < 10 — низкомоментный. Гидромотор выбирают в соответствии с технической характеристикой по каталогам. Основные его параметры определяют из системы уравнений: М пр 0,159 рН рс Vом мех ; V QM OM , 6280OM (11.7) где Мпр — момент, приведенный к валу гидромотора, Н . м; рн, рс — давление соответственно в его напорной и сливной полостях, МПа; V0M — рабочий объем гидромотора, м3; ηмех, ом - механический и объемный КПД гидромотора, ω — угловая скорость вала гидромотора, с-1; QM - фактический расход гидромотора, м3/с. Используя систему уравнений, определяют оптимальное значение Qr, рн, рс, V0M для выбора гидромотора. При выборе его типа следует руководствоваться технической характеристикой, габаритными и присоединительными размерами, а также учитывать особенности каждой конструкции, стоимость, пусковые свойства, срок службы. Для получения малых частот вращения выходного вала рабочего органа и увеличения крутящего момента между гидромотором и рабочим органом можно установить редуктор с передаточным отношением i M кр М н М .Р , (11.8) где Мкр — крутящий момент на выходном валу рабочего органа, Н . м; Мн — номинальный момент гидромотора, Н . м; м.р — механический КПД редуктора. 157 Необходимая подача насоса и частота его вращения определяются из следующих уравнений: Qн н Qi i Qн Qу ; Vонон (11.9) , где Qн — подача насоса, л/с; ηн — частота вращения насоса, с-1; Qi i сумма расходов одновременно работающих гидродвигателей с учетом их объемного КПД, дм3/с; Qy — утечки в гидроаппаратуре, м3 / c; V0H — рабочий объем насоса, м3; η0H — объемный КПД насоса. При выборе типа насоса, распределительной и контрольно-регулирующей аппаратуры необходимо руководствоваться их технической характеристикой, габаритными и присоединительными размерами. Диаметр трубопроводов следует рассчитывать по участкам, имеющим одинаковый расход. Участок представляет собой трубопровод с установленными на нем местными сопротивлениями и гидроаппаратами. Внутренний диаметр трубы dm=4,6 Q / , (11.10) где Q — расход жидкости на рассчитываемом участке, л/мин; υ — средняя скорость жидкости, м/с. Полученные значения округляют до ближайшего диаметра по ГОСТ 8734-75. По принятому диаметру определяется действительная скорость жидкости, м/с: υ = 21Q/dm. (11.11) Среднюю скорость жидкости выбирают в зависимости от назначения трубопровода по справочным данным. Гидравлические потери в гидролиниях слагаются из потерь на гидравлическое трение ΔрТ, потерь в местных сопротивлениях Δрм и потерь в гидроаппаратах Δрr. Потери давления на трение ΔрT = (0,5λlpυ2)/d, (11.12) где λ — коэффициент трения; l — длина участка, м; ρ — плотность, кг/м3; υ — средняя скорость жидкости, м/с; d — диаметр трубы или шланга, м. Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости и определяется по числу Рейнольдса 158 Re d v . (11.13) При ламинарном течении жидкости (Re < 2 320) λ = 75/Re. (11.14) При турбулентном течении жидкости λ зависит от числа Рейнольдса и от относительной шероховатости стенок канала. Стальные трубы имеют шероховатость Δ = 0,03 мм, трубы из цветных металлов считаются практически гладкими. Если Δdm < 10, шероховатостью можно пренебречь и коэффициент трения будет λ = 0,316/ 4 Re . (11.15) 5 При Re > 10 X практически не зависит от Re и можно принять λ = 0,02. Потери на местных сопротивлениях определяются по формуле Δрм=0,05ρξυ2, (11.16) где ξ — коэффициент местного сопротивления. Потери в гидравлических аппаратах, установленных на рассчитываемом участке, приведены в справочниках на гидроаппаратуру и даются для максимального расхода через гидроаппарат. Если для конкретного случая расход меньше максимального, то табличные значения потерь необходимо пересчитать так: QД Q , max Δрr = Δрм (11.17) где Δрт — потери давления на гидроаппарате при действительном значении расхода Qд; Δрм — потери давления, взятые по справочнику при максимальном значении расхода Qmax, Па. При последовательном соединении общие потери давления представляют собой сумму потерь давления на всех участках: n n n i 1 i 1 i 1 р рТ i рMi рri . (11.18) Необходимое давление насоса определяется по выражению pн р р , где р — давление на входе в гидродвигатсль, Па. Если от одного насоса питается несколько гидродвигателей, то при определении рн в расчет принимается гидролиния с максимальными потерями. 159 11.3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ГИДРОПРИВОДА Тепловой расчет гидропривода проводится для того, чтобы исключить перегрев рабочей жидкости при эксплуатации, который снижает производительность машины и ресурс работы гидроагрегатов. При работе гидроприводов вследствие механических, гидравлических и объемных потерь выделяется тепловая энергия, которая нагревает гидробак с маслом, а также рассеивается в окружающее пространство. Превышение установившейся температуры масла в баке Δt над температурой окружающей среды определяют по формуле t , kF (11.19) где Θ — количество теплоты, выделяемое в гидроприводе за время t; k — коэффициент теплопередачи от масла к окружающему воздуху; F — площадь поверхности гидробака; 2 F = 0,064 3 VM , (11.20) где VM — объем масла в баке. Q = 3 600(NП - NЭ)t; (11.21) NП рн Qн , 60 н (11.22) где рн — давление на выходе насоса, МПа; QH — подача насоса, л/мин; ηн — полный КПД насоса. Nэ рr Qr , 60 r (11.23) где рr — давление в гидродвигателе, МПа; Qr — расход, потребляемый гидродвигателем, л/мин; ηг — полный КПД гидродвигателя. Если принять Δt = 350 С, то необходимый объем масла в баке определится по формуле 3 VM . 0 , 064 k t (11.24) Объем масла в гидробаке не должен превышать двух-трехминутной подачи насоса, т. е. VM= (2...3)Q. (11.25) 160 Если из одного бака питаются 2 насоса, то Vmax 1,3VM1 VM 2 , (11.26) где VM1 , VM 2 — объем жидкости, необходимый для питания каждого насоса, м3. Полный геометрический объем гидробака Vδ определяют из условия его заполнения на 0,8 высоты и округляют до ближайшего значения из соответствующего ряда по справочникам. Если в результате расчета объем масла окажется больше двух-трехминутной подачи насоса, следует принять VM = Vmax и определить количество теплоты, которое будет отводиться через стенки гидробака: 2 0,064kt 3 Vmax . (11.27) Для отвода избыточного количества теплоты Т необходимо применять теплообменник (радиатор). Площадь радиатора, м2, Fp FП Fr .п , (11.28) где Fn — необходимая площадь охлаждения, м2; ΣFr.п — сумма площади поверхности всех элементов данного гидропривода, м2. Fn =859,52 N п К В , К Т Т Т 0 (11.29) где ΔNn — потери мощности гидропривода, кВт; КT = 13 ккал/мг (54,4 кДж) — теплопроводность для свободно обтекаемой воздухом поверхности гидропривода, определенная опытным путем; Т — максимальная расчетная температура рабочей жидкости, °С; T0 — заданная температура окружающей среды, °С. N п N н N э ; (11.30) где Nэ — эффективная мощность гидродвигателей, кВт; Кв= t раб t cм , (11.31) где tраб — фактическое время работы гидропривода, с; tcм — сменное время работы машины, с. 11.4. АГРЕГАТЫ ГИДРОПРИВОДА Из всего многообразия гидроприводов, сельскохозяйственной технике, наиболее распространены: применяемых в 161 раздельно-агрегатная гидросистема трактора, неавтономный гидропривод активных рабочих органов; гидротрансмиссия самоходных машин; гидроусилитель рулевого укрепления. Перечислим агрегаты гидропривода. 1. Насосы. Наибольшее распространение в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении получили роторные шестеренные насосы. 2. Гидродвигатели — гидромоторы и гидроцилиндры используют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении как унифицированные, так и специального назначения. Наиболее широко применяются шестеренные, аксиально-поршневые и планетарные гидромоторы. 3. Гидрораспределители используются для распределения потоков жидкости в гидроприводах. В сельскохозяйственных машинах и тракторах наиболее распространены гидрораспределители золотникового типа. 4. Клапаны бывают обратные (для пропуска рабочей жидкости в одном направлении и перекрытия ее движения в обратном); предохранительные (для защиты гидропривода от перегрузок путем ограничения максимального давления); переливные (для поддержания заданного давления в напорной магистрали путем непрерывного перепуска рабочей жидкости на слив). 5. Дроссели применяют для регулирования скорости гидродвигателей. Они представляют собой гидросопротивления с постоянным или регулируемым проходным сечением. 6. Синхронизаторы обеспечивают синхронную работу всех параллельно подключенных гидродвигателей сельскохозяйственной машины с целью выполнения заданного технологического процесса. 7. Гидроаккумуляторы служат для накопления энергии и отдачи ее гидродвигателям при кратковременных перегрузках, когда потребная мощность превышает развиваемую насосом. 8. Баки предназначены для питания гидропривода рабочей жидкостью. В них она охлаждается и очищается. 9. Кондиционеры рабочей жидкости служат для поддержания в процессе эксплуатации гидропривода необходимых качественных по казателей рабочей жидкости. К ним относятся фильтры и теплообмен ники. Фильтры в гидросистемах машин предназначены для очистки рабочей жидкости от продуктов окисления и износа деталей, а также от посторонних частиц, поступающих извне; теплообменники — для обеспечения заданного температурного режима рабочей жидкости. 10. Гидравлические магистрали служат для подвода рабочей жидкости к элементам гидропривода (применяют жесткие металлические трубопроводы и гибкие рукава среднего и высокого давления). 162 11. Рабочие жидкости в гидроприводе передают энергию, выполняют смазывающие и охлаждающие функции, защищают детали от коррозии и удаляют из гидроагрегатов продукты износа. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1.Что такое гидропривод? 2.Назовите преимущества и недостатки гидропривода. 3.Дайте классификацию гидроприводов. 4.Когда можно приступать к выбору параметров и расчету гидропривода? 5.Как осуществляется выбор гидроцилиндров и гидромоторов? 6.Для чего проводится тепловой расчет гидропривода? 163 12. АГРЕГАТЫ ГИДРОПРИВОДОВ 12.1. НАСОСЫ Наибольшее распространение в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении получили роторные шестеренные насосы. Все шестеренные насосы имеют простую бесклапанную конструкцию с малым количеством вращающихся и трущихся деталей и небольшие габариты, а следовательно, малую удельную массу на единицу объема нагнетаемой жидкости за единицу времени. Промышленностью выпускаются следующие типы шестеренных насосов: НШ-Е, НШ-У, НШ-К, НМШ, двухсекционные и специальные. Шестеренные насосы гидросистем тракторов, сельскохозяйственных и дорожных машин по исполнению делят на три группы (табл. 4). Таблица 4. Классификация шестеренных насосов Характеристика Исполнение Номинальное давление, МПа 2 3 14 16 4 20 Рабочий объем, см3 10, 32, 50, 100 4, 6, 3, 10, 25, 32, 40, 50, 71, 100, 160, 250 4, 6, 3, 10, 25, 32, 40, 50, 71, 100, 160, 250 Примеры условного обозначения шестеренных насосов: НШ- 32-3 — насос правого вращения, рабочий объем 32 см3, исполнение 3. НШ-32-10-ЗЛ — двухсекционный насос с рабочими объемами секций 32 и 3 10 см , исполнение 3 с левым направлением вращения ведущего вала. Среди шестеренных насосов наибольшее распространение получили круглые насосы. Насосы типа НШ-К (см. рис. 12.1) (индекс НШ-К обозначает насос шестеренный круглый) состоят из корпуса 1, качающего узла, содержащего ведущую 2 и ведомую 3 шестерни, подшипниковую 6 и поджимную 9 обоймы и два платика-замыкателя 5, резиновых манжетных уплотнений 15, круглого уплотнительного кольца 7, крышки насоса 4 и шести болтов 18 с пружинными шайбами. Корпус 1 насоса отлит из алюминиевого сплава заодно с соединительным фланцем, в котором имеются посадочный центрирующий буртик и четыре отверстия и под крепежные болты. Внутри корпуса 1 выполнен цилиндрический колодец, в который помещен качающийся узел. В донышке корпуса 1 164 расположено круглое отверстие для выхода приводного вала. С наружной стороны в это отверстие запрессована манжета 12 для уплотнения ведущего вала насоса, а с внутренней — центрирующая стальная втулка 11, выступающая внутрь корпуса 1. Центрирующая втулка 11 препятствует проворачиванию качающего узла во время работы и служит направляющей при сборе насоса. На дне корпуса 1 и в привалочной плоскости крышки 4 выполнены гнезда для манжет 15, а также конические углубления, служащие для образования камер осевого поджима. Рабочая жидкость под давлением поступает в камеры осевого поджима из зоны высокого давления насоса через отверстие п. На боковой поверхности корпуса 1 имеются две симметрично расположенные обработанные плоскости (Н) с четырьмя резьбовыми отверстиями на каждой, предназначенные для крепления присоединительной аппаратуры. Изнутри корпуса 1 в выточку выходного отверстия вмонтирована манжета радиального поджима 9, формирующая камеру давления, в которой создается усилие для поджима обоймы к зубьям шестерен. Поверх манжеты наложена металлическая опорная пластина 8 для перекрытия зазора между корпусом 1 и поджимной обоймой 10. По мере износа опорных поверхностей с помощью поджимной обоймы 10 компенсируется радиальный зазор между уплотняющей поверхностью и зубьями шестерен. Ширина шестерен всех типоразмеров насосов равна 20 мм, а разный геометрический объем достигается за счет различного числа зубьев и величины модуля при одном и том же диаметре шестерен. 165 Рис. 12.1. Насос типа НШ-К: а — в собранном виде; б — в разобранном виде; 1 — корпус; 2 — ведущая шестерня; 3 — ведомая шестерня; 4 — крышка насоса; 5 — платики-замыкатели; 6 — подшипниковая обойма; 7 — уплотнительное кольцо крышки насоса; 8 — опорная пластина; 9 — манжета радиального поджима; 10 — поджимная обойма; 11 — центрирующая втулка; 11 — уплотнительвые манжеты ведущего вала; 13 — опорное кольцо уплотнительной манжеты; 14 —пружинное кольцо; 15 — манжета диаметром 39 мм; 16 — манжета; 17 — манжета диаметром 29 мм; 18 — болты с пружинными шайбами; в — выточки под цапфы шестерен; г — отверстие диаметром 6 мм; д — расточка диаметром 6 мм и глубиной 2 мм; е — косые отверстия; ж — пазы под платики-замыкатели; з — треугольные пазы; и — отверстия для креплений насоса; к — всасывающее отверстие (входное); л —канавка для отвода утечек; м —отверстия под болты 18; н — обработанные плоскости для крепления присоединительной арматуры; о — широкая фаска; п — отверстие диаметром 6 мм; р — нагнетательное отверстие; с — отверстие для крепления угольника (арматура). Цапфы шестерен насоса вращаются в подшипниковой 6 и поджимной 10 обоймах, выполненных в виде полуцилиндров, снаружи которых на одном торце имеется широкая фаска (О), обращенная к дну насоса, а на другом торце— узкая фаска, обращенная к крышке. Каждая из обойм (подшипниковая и поджимная) выполнена так, что служит единой опорой для всех цапф шестерен. Подшипниковая обойма 6 изготовлена с наружным диаметром на 0,03 ... 0,05 мм больше диаметра цилиндрического колодца в корпусе 1 для создания жесткого упора между корпусом и крыльями (концами) обоймы с целью стабилизации межцентрового расстояния выточек под опоры шестерен. В подшипниковой обойме 6 с внутренней стороны выполнены полукруглые выточки: меньшего диаметра (в) — под цапфы шестерен, большего диаметра — под шестерни и в центре — проточка под торцы платиков 5. В средней части по длине подшипниковой обоймы 6 перпендикулярно к оси насоса расположено всасывающее или входное отверстие к. На торце с широкой фаской и по образующей до всасывающего отверстия подшипниковой обоймы б выполнена прямоугольная канавка (л) для отвода утечек из-под сальниковой полости вала ведущей шестерни в полость всасывания насоса. Поджимная обойма 10 имеет внутри полукруглые выточки (в) под цапфы, выточки под шестерни и два параллельных паза (ж) для установки торцевых платиков 5. В средней части торца поджимной обоймы 10 параллельно оси насоса просверлено отверстие (г), служащее для подвода рабочей жидкости к манжетам 15, расположенным на дне корпуса и крышке, с целью осевого поджима платиков 5 к торцам шестерен. По длине средней части поджимной обоймы 10 выполнено отверстие (р) для нагнетания рабочей жидкости, размер которого меньше, чем впускного. С наружной стороны на поджимной обойме 10 вдоль образующих расположены два треугольных узких паза 3, предназначенных для отвода рабочей жидкости в случае разрушения манжеты радиального уплотнения 9. Наружный диаметр поджимной обоймы 10 выполнен на 0,2 ... 0,3 мм меньше диаметра колодца под качающий узел в корпусе 1 насоса для осуществления компенсации радиальных зазоров между уплотняющей 166 поверхностью обоймы и зубьями шестерен за счет радиального поджима давлением рабочей жидкости. Уплотнение торцов шестерен насоса осуществляется двумя платиками 5, которые поджимаются усилием жидкости, находящейся в камерах давления, ограниченных манжетами 15 осевого поджима. Осевое усилие, создаваемое рабочей жидкостью в камерах корпуса и крышки, ограниченных манжетами 15, уравновешивается осевыми усилиями, создаваемыми давлением жидкости камер платиков 5, ограниченных манжетами 17. Платики 5 представляют собой пластинки одинакового размера с круговыми вырезами. Две кольцевые вырезки в платике 5 выполнены так, что диаметр каждой из них больше диаметров шестерен на 0,05 ... 0,08 мм. В каждом платике 5 с одной стороны выполнены четыре цилиндрические расточки. В эти расточки вмонтированы резиновые манжеты (три глухие и одна большая с отверстием n в центре). С противоположной стороны платика 7 выполнены три косых отверстия (е) и одно перпендикулярное к его плоскости для под-вода рабочей жидкости под манжеты 16 с целью поджима платиков 5 к торцам шестерен. Центральная малая расточка (д), выполненная над косым отверстием, предназначена для разгрузки защемленного объема жидкости межзубового пространства. Платики 5 вставляют в поджимную обойму 10 так, чтобы манжеты располагались наружу по отношению к торцам шестерен. С внутренней стороны крышки имеется углубление, закрытое манжетой 15 и металлическим кольцом. Кольцо и манжета расположены в одной плоскости с крышкой. Крышку соединяют с корпусом 1 насоса шестью болтами 18 с пружинными шайбами. Разъем корпус-крышка уплотняют круглым резиновым кольцом 11. Насос может иметь правое вращение, если его приводной вал вращается по часовой стрелке (смотреть в торец насоса со стороны донышка), и левое — при вращении вала в обратном направлении. Зона высокого давления в насосах небольшого объема ограничена в осевом направлении платиками 5 и в радиальном — поджимной обоймой 10. В центральной части этой обоймы выполнены два сегмента с точно обработанной поверхностью, прилегающей к шестерням и охватывающей вокруг каждой шестерни дугу, равную примерно 1,5 шага зубьев. Эти дуговые поверхности ограничивают зону высокого давления. Осевой поджим создает рабочая жидкость, которая поступает из камеры нагнетания насоса по косым сверлениям (е) в платиках 5 к осевому отверстию (я). Жидкость, поступающая по косым отверстиям (е) платиков 5, ограниченных манжетами 16, поджимает их к торцам шестерен, а жидкость, 167 поступающая через осевое отверстие (n), создает в камерах корпуса и крышки, ограниченных манжетами 15, осевое усилие, уравновешивающее поджимную обойму 10, на которую действует давление, передаваемое из камер платиков 5 через манжету 17. Жидкость, поступающая в нагнетательную магистраль, давит на уплотнительную манжету 9, опорную пластину 8 и тем самым осуществляет радиальный поджим поджимной обоймы 10, которая по мере износа опорных поверхностей компенсирует радиальный зазор между своей уплотняющей поверхностью и зубьями шестерен. В межзубовом пространстве со стороны нагнетания создаются запертые объемы жидкости, которые находятся под давлением, превосходящим рабочее. Для разгрузки насоса в платиках 5 выполнены косые отверстия (д) с расточкой, по которым жидкость из запертого объема отводится в зону высокого давления. Все утечки рабочей жидкости в насосе уходят через зазор между подшипниковой 6 и поджимной 10 обоймами, а затем по пазу (л) подшипниковой обоймы 6 поступают на всасывание. Благодаря принципиально новым конструкторским решениям насосы НШК выгодно отличаются от насосов типа НШ: во-первых, насос имеет автоматическую компенсацию радиальных и торцевых зазоров, благодаря чему увеличен ресурс; во-вторых, конструкция насоса допускает возможность секционирования, а следовательно, расширенную область его использования; и, наконец, насос имеет меньшее количество деталей и более простую конструкцию уплотнений, а следовательно, и большую надежность. Двухсекционные насосы выпускаются двух типов: НШ-32-10-2 с объемом секций 32 и 10 см3 и НШ-10-10-2 с объемом секций 10 см3. Они предназначены для одновременного нагнетания рабочей жидкости двумя самостоятельными потоками для двух разных потребителей. Каждый двухсекционный насос состоит из двух самостоятельных насосов, которые размещены в сопряженных корпусах и приводятся в действие от одного вала, но имеют самостоятельные всасывающие и нагнетательные трубопроводы. Преимущества этих насосов заключаются в сокращении однородного привода, снижении удельной металлоемкости, более удобном техническом обслуживании и др. Недостатки конструкции состоят в излишних энергетических затратах и в износе соединений одной из секций насоса при отсутствии необходимости в потреблении жидкости одним из потребителей. При отказе одной секции насоса необходимо ремонтировать обе секции. Насосы типа НМШ предназначены для создания и поддержания циркуляции рабочей жидкости в гидравлических системах трансмиссий тракторов и сложных сельскохозяйственных машин для переключения передач, 168 включения и выключения вала отбора мощности. Насосы этого типа постоянно включены в работу. Марка насоса обозначает: Н — насос, М — малого давления, Ш — шестеренный. Цифры указывают рабочий объем насоса в см3. Насосы этого типа условно делят по рабочему давлению на следующие группы: низкого давления — до 2,5 МПа; среднего давления — от 2,5 до 8 МПа и высокого давления — от 8 до 25 МПа. Особенность насосов НМШ в том, что они имеют привалочную плоскость, через которую выведен хвостовик ведущего вала насоса. В этой плоскости расположены всасывающие и нагнетательные отверстия. Следовательно, эти насосы самостоятельно не применяют. Выпускаются насосы НМШ-25-Р, НМШ25, НМШ-50, НМШ-80-1, НМШ-125. И насос гидросистемы коробки передач трактора К-701. 12.2. ГИДРОДВИГАТЕЛИ Гидромоторы и гидроцилиндры в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении используют как унифицированные, так и специального назначения. Наибольшее применение нашли шестеренные, аксиально-поршневые и планетарные гидромоторы. Шестеренные гидромоторы. Выпускаются гидромоторы типа МНШ-46У и МНШ-32У, созданные на базе круглых насосов типа НШ-К. Устройство шестеренных гидромоторов такое же, как и насосов, за исключением некоторых конструктивных особенностей. Конструкция гидромоторов типа МНШ внешне отличается от унифицированных с ними насосов только лишь тем, что в их донышке выполнено коническое резьбовое отверстие для присоединения дренажной гидролинии, давление в которой, во избежание выбивания уплотнительной манжеты, не должно превышать 0,05 МПа. Аксиально-поршневые гидромоторы в значительной мере лишены недостатков шестеренных. Эти гидромоторы наиболее широко используются в общем машиностроении. В сельскохозяйственных машинах они применяются в приводах ведущих колес самоходных агрегатов. Перспективно их применение в кукурузоуборочных, картофелеуборочных и зерноуборочных комбайнах. Жесткая характеристика таких гидромоторов, возможность получения малой частоты вращения, что позволяет исключить металлоемкие механические редукторы, обуславливают возможность использования их для приводов средненагруженных активных рабочих органов сельскохозяйственных машин. 169 В тракторном и сельскохозяйственном машиностроении используются следующие марки аксиально-поршневых гидромоторов: НПА-64, 210, 20Б и 25Б. При использовании аксиально-поршневых гидромоторов необходимо учитывать, что они значительно дороже шестеренных (в 5...7 раз), требуют повышенной чистоты рабочей жидкости и применения более дорогих сортов масел. В связи с наличием в сельскохозяйственных машинах значительного количества рабочих органов, имеющих среднюю и низкую частоту вращения (0,5...6 с-1) и приводной момент в пределах 50...300 Нм, приходится применять более сложные и дорогие планетарные гидромоторы. Планетарно-роторные гидромоторы. Самый распространенный среди отечественных планетарных гидромашин— это гидромотор ИРТ-14.200 (см. рис. 12.2). Его конструктивное исполнение отличается от гидровращателя ГВТ6300 наличием выходного вала, его концентричным вращением относительно корпуса гидромотора, распределением рабочей жидкости, осуществляемым золотниковым устройством плоского типа. Основной узел гидромотора — силовой блок, состоящий из вала, распределителя шестерни, ротора с роликами и щеки. Шпонка связывает распределитель и шестерню в единый узел. Осевое фиксирование этих деталей (шестерни и распределителя) осуществляется затяжкой щеки, которая связана с валом резьбовым соединением. Такое положение щеки фиксируется штифтом 4. Высота ротора и роликов меньше высоты шестерни, поэтому ротор (с роликом) может вращаться вокруг шестерни без заеданий. Силовой блок с помощью шарикоподшипников 5 и 10 устанавливается в корпусе. Причем компенсация планетарного движения ротора осуществляется с помощью внутреннего зубчатого зацепления, образованного охватываемой (наружной) поверхностью ротора и охватывающей (внутренней) поверхностью корпуса. Осевое перемещение силового блока ограничивается передней 3 и задней 8 крышками. В задней крышке 8 установлен золотник, который своими проточками соединен с полостями 11 и 14 подвода (отвода) рабочей жидкости. Поджатие золотника к распределителю в момент пуска (отсутствие давления в рабочих полостях) осуществляется пружиной. С задней крышкой 5 золотник связан штифтом 13. Крепление крышек гидромотора с помощью стопоров 22 и штифта 13 позволяет произвести установку фазы распределения путем поворота крышек относительно корпуса. После установки фазы распределения, крышки фиксируется стопором 16. Уплотнители 1 и 2 служат для предотвращения утечек по валу. Как все роторные гидромашины, гидромотор ИРТ-14.200 реверсивный. Изменение направления вращения выходного вала гидромотора осуществляется изменением направления движения рабочей жидкости. 170 Рис. 12.2. Планетарно-роторный гидромотор ИТР-14.200: 1 и 2 — уплотнители; 3 и 8 — крышки; 4 и 13 — штифты; 5 и 10 — шарикоподшипники; 6 — щека; 7 — корпус; 8 — распределитель; 11 и 14 — полости; 12 — золотник; 15 — пружина; 16 и 22 — стопоры; 17 — вал; 18 — шестерня, 19 — шпонка; 20 — ролики; 21 — ротор. Рассмотренная конструкция гидромотора была принята за основу при создании унифицированного ряда планетарно-роторных гидромоторов. Одно из преимуществ этого типа гидромоторов — сравнительно низкая металлоемкость. Например, удельная масса планетарных гидромоторов на 6 единицу рабочего объема составляет 7,5 10 кг/л (у лучших плунжерных гидромашин — 1,2. 10-4 кг/л). Гидроцилиндры выпускают в трех исполнениях, обозначенных цифрами 2, 3, 4 (табл. 5). Таблица 2. Классификация поршневых гидроцилиндров Исполнение 2 3 4 Характеристика Номинальное давление, МПа Внутренний диаметр гидроцилиндра, мм 14, 20, 25 55, 75, 90, 100, 110 14, 20, 25 50, 60, 63, 80, 100, 110 14, 20, 25 63, 80, и 100 Пример условного обозначения гидроцилиндра: Ц-80-200-4; цифра 80 обозначает диаметр поршня; 200 — ход поршня, а 4 — исполнение. 12.3. ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛИ Гидрораспределители золотникового типа — наиболее распространенные устройства коммутации потоков жидкости в гидроприводах сельскохозяйственых машин и тракторов. 171 Их преимущества по сравнению с гидрораспределителями кранового типа заключаются в том, что золотник разгружен от давления жидкости, поток жидкости можно поочередно подавать к нескольким потребителям, и в том, что гидрораспределители этого типа малочувствительны к загрязнению рабочей жидкости. Промышленностью освоен выпуск следующих конструкций, клапаннозолотниковых гидрораспределителей моноблочного типа: Р-80-2-1-44, Р-80-2-244, Р-80-2-1-222, Р-80-2-1-22, Р-80-2-1-444, Р-80-2-2-444, Р-80-2-3-444, Р-160-21-222-20, Р-160-2-1-111-10, Р-160-2-1-222-30 и Р-160-2-1-111-20. Структура условного обозначения гидрораспределителей: Р — распределитель; 80 — номинальный поток, л/мин; 2 — исполнение по давлению; 1—исполнение по конструкции; 4 — тип и количество золотников или рабочих секций в порядке от переливного клапана. Гидрораспределители типа Р-80 выпускаются в двух исполнениях по давлению: с номинальным давлением 14 и 16 МПа с настройкой предохранительного клапана соответственно на давление 17,5 и 20 МПа. Устройство и принцип работы гидрораспределителя типа Р-80 показаны на рисунке 12.3. В корпусе 4 размещены два или три золотника 3, управляющих независимо один от другого двумя или тремя гидродвигателями, и клапанное устройство, обеспечивающее разгрузку гидросистемы и ограничение давления рабочей жидкости. Корпус гидрораспределителя снабжен отверстиями для присоединения гидролиний, идущих от насоса к гидродвигателям и баку гидросистемы. Применяемые в гидрораспределителе золотники могут устанавливаться в зависимости от типа в следующие позиции: золотники типа 1, 2 и 3 — «Подъем» (а), «Нейтральная» (в), «Опускание принудительное» (с) и «Плавающая» (д); золотник типа 4 — в те же, кроме позиции «Плавающая». При установке всех золотников в позицию «Нейтральная» гидролинии, ведущие к гидродвигателям, перекрываются, а вся нагнетаемая в гидрораспределитель рабочая жидкость проходит через переливной клапан 12 на слив в бак гидросистемы. При установке золотника в позицию «Плавающая» обеспечивается возможность свободного перемещения рабочего органа гидродвигателя под действием внешних сил (например, силы тяжести). В позиции «Подъем» золотники типа 1 и 4 удерживаются вручную усилием, приложенным к рычагу управления; золотники типа 2 и 3 — шариковым фиксатором В позиции «Опускание принудительное» золотник типа 2 удерживается шариковым фиксатором, золотники остальных типов — вручную. 172 В позиции «Плавающая» золотники типа 1, 2 и 3 удерживаются шариковым фиксатором. Возврат золотника из рабочей позиции в позицию «Нейтральная» осуществляется пружиной 1. Из позиции «Плавающая» золотники типа 1, 2 и 3 возвращаются автоматически после отжатия фиксатора вручную небольшим перемещением рукоятки управления в направлении позиции «Нейтральная». Рис. 12.3. Гидрораспределитель клапанно-золотниковый типа Р-80: 1 — пружина; 2 — механизм автовозврата; 3 — золотник; 4 — корпус; 5 — крышка; 6, 8 и 18 — болты; 7, 11 и 15 — кольца; 9 — упор; 10 — направляющая; 12 — клапан переливной; 13 — клапан стержневой; 14 и 22 — прокладки; I6 — рычаг; 11 — пыльник; 19 — пластина пыльника; 20 — пластина колец; 21 — вкладыш; 23 — клапан предохранительный; 24 — винт регулировочный; 25 —колпачок; 26 и 29 — гайки; 27 — фланец; 28 — крышка нижняя; I — «нейтральная» позиция золотника; II —от насоса; III— слив в бах; IV — из цилиндра; V — в цилиндр Из позиции «Подъем» золотники типа 1 и 4 возвращаются после снятия руки с рукоятки управления, золотники типа 2 и 3 — вручную или автоматически при давления в гидролинии, соответствующем давлению настройки предохранительного клапана 23. Из позиции «Опускание принудительное» золотник типа 2 возвращается вручную или автоматически при достижении в гидролинии давления не более 3 МПа, типа 1, 2 и 4 — после снятия руки с рукоятки управления. Клапанное устройство состоит из предохранительного и переливного клапанов. Переливной клапан предназначен для перепуска рабочей жидкости на слив при нахождении всех золотников в позиции «Нейтральная» или «Плавающая». Когда какой-либо золотник оказывается задержанным в позиции «Подъем» или «Опускание принудительное», возрастающее давление в 173 гидролинии приводит к открытию предохранительного и, вследствие этого, переливного клапана. В гидрораспределителе, предназначенном для работы в гидросистеме, содержащей регулятор глубины обработки почвы, в переливном клапане имеется дополнительный стержневой клапан 13. В гидрораспределителях 4-го исполнения по конструкции линия управления переливным клапаном не соединена внутри корпуса с полостью слива (сеч. К). Гидрораспределитель четвертого исполнения золотников Р-80-2-2-444 входит в распределительное устройство Р-80-П6-ПГ, которое состоит из двух гидрораспределителей: Р-80-2-2-444 и Р-80-2-3-444. Устройство служит для распределения потока рабочей жидкости в гидравлических навесных системах грейферных погрузчиков, где количество исполнительных механизмов более 3. В связи с большим количеством гидроагрегатов, устанавливаемых на таких сельскохозяйственных машинах, как самоходные зерноуборочные и свеклоуборочные комбайны, для их управления применяют многосекционные гидрораспределители типа ГА-34000В и односекционные типа ГА-47000В. Гидрораспределитель ГА-34000В в зависимости от количества потребителей изготовляют пяти-, шести или семисекционным. В семисекционном гидрораспределителе применяют рабочие секции двух типов: с запорными клапанами или без них (см. рис. 12.4). В корпусе 5 секции находится золотник 7, устанавливаемый в нейтральное положение под действием пружины 9, опирающейся торцами на шайбы 8 и 11. Шайбы при нейтральном положении золотника 7 усилием пружины прижимаются к торцевым поверхностям расточек корпуса и стакана 12. При перемещении золотника 7 вверх или вниз одна из шайб касается торца расточки корпуса 5 или торца расточки стакана 12, а вторая шайба, перемещаясь совместно с золотником 7, сжимает пружину 9. Ход золотника 7 ограничен дистанционной втулкой 10. Обратные клапаны размещены в расточке корпуса 5 рабочей секции параллельно оси золотника 7. Клапаны состоят из втулок 4 с установленными в них шариками 3, которые прижимаются пружинами 1 к гнездам втулок 4. Пружины 1 сжимаются пробками 6, которые даже при полном завинчивании не доходят до торцов втулки 4. Между втулками 4 размещен поршень 2 с двумя толкателями. 174 Отверстие под золотник 7 имеет пять кольцевых расточек. Через крайние расточки проходят сквозные сливные отверстия, а через центральную расточку — нагнетательный канал. Две средние расточки соединены отверстиями с полостями под поршнем 2. При перемещении золотника 7 гидрораспределителя, например, вверх, нагнетательный канал соединяется с расточкой, связанной с областью, расположенной под поршнем 2. Под действием давления жидкости открывается верхний запорный клапан и жидкость поступает в магистраль, идущую к потребителю. Одновременно с открытием верхнего клапана поршень 2 под действием давления перемещается вниз и своим толкателем смещает нижний запорный клапан, открывая Рис. 12.4. Секция путь жидкости, идущей на слив с гидрораспределителя ГА-34000В: нагнетательной полости гидродвигателя. 1 и 9 – пружина; 2 – поршень; 3 – шарик; Наряду с указанными ранее типами 4 – втулка; 5 – корпус; 6 – пробка; 7 – золотник; 8 и 11 – шайбы; 10 – втулка гидрораспределителей на сельскодистанционная; 12 - стакан хозяйственных машинах, применяют гидрораспределители кранового типа. Основное преимущество гидрораспределителей кранового типа — простота их конструкции и надежность в эксплуатации. Однако из-за бокового прижима золотника область их применения ограничена гидроприводами, работающими при низких давлениях. Поддержание заданных режимов работы гидропривода осуществляется за счет применения клапанов, дроссельных устройств, гидроаккумуляторов и другой гидроаппаратуры. 12.4. КЛАПАНЫ Клапаны бывают обратные, переливные (перепускные). предохранительные, редукционные и 175 Обратные клапаны предназначены для пропуска рабочей жидкости в одном направлении и перекрытия ее движения в обратном направлении. Применяют обратные клапаны с шариковыми и коническими запорными элементами. На корпусах обратных клапанов наносят стрелку, указывающую направление движения рабочей жидкости. В гидроприводах ряда сельскохозяйственных машин нашли применение специальные конструкции обратных клапанов, которые получили название гидрозамков. Гидрозамки применяют в тех случаях, когда необходима точная фиксация рабочего органа в промежуточном положении путем остановки гидродвигателя и исключения его обратного движения под нагрузкой. В корпусе 1 (см. рис.12.5) гидрозамка размещены два обратных клапана 2 и 6, между которыми помещен плавающий поршень 4. Рабочая жидкость поступает в корпус 1 через каналы 3 и 5, а из корпуса к гидродвигателю — через каналы 7 и 8. При подводе рабочей жидкости к каналу 3 открывается левый обратный клапан 2 и рабочая жидкость через канал 8 поступает в гидродвигатель. Одновременно поршень 4 под давлением рабочей жидкости смещается вправо и открывает обратный клапан 6, обеспечивая проход отводимой рабочей жидкости через каналы 7 и 5 к гидрораспределителю. При подаче рабочей жидкости в канал 5 гидрозамок срабатывает аналогично, но в обратном направлении. В случае, если циркуляция в рабочей жидкости не проходит, обратные клапаны 2 и 6 запирают рабочую жидкость в гидродвигателе, фиксируя его положение. Предохранительные клапаны предназначены для защиты гидроприводов от перегрузок путём ограничения максимального давления. Предохранительный клапан должен срабатывать быстро и обладать высокой пропускной способностью. Простейший предохранительный клапан (см. рис.12.6, а) состоит из шарика (или плунжера), нагруженного пружиной, регулируемой на определенное давление. Рис. 12.5. Гидрозамок: 1 – корпус; 2 и 6 – обратные клапаны; 3, 5, 7 и 8 – каналы; 4 - поршень 176 Однако в гидроприводах с большими расходами рабочей жидкости такие клапаны не применяют, так как для удержания клапана больших размеров требуются мощные пружины, не обладающие необходимой чувствительностью. Рис. 12.6. Предохранительный клапан: а – прямого действия; б – с серводействием: 1, 2 и 8 – полости клапана; 3 – клапан; 4 - дроссельное отверстие; 5 и 7 – пружины; 6 – шариковый клапан. В этих случаях применяют предохранительные клапаны с серводействиеи (см. рис.12.6, б). В таком клапане полость 2 сообщена с нагнетательной, а полость 1 со сливной магистралью. Дроссельное отверстие 4 сообщает полость 2 с надклапанной полостью 8. При давлении в гидроприводе ниже допускаемого, в полостях 2 и 8 давление одинаково и клапан 3 прижат к седлу, так как площадь клапана в полости 8 больше, чем в полости 2, и, кроме того, клапан прижат пружиной 7. При повышении давления в гидроприводе выше допустимого вспомогательный шариковый клапан 6, преодолевая усилие пружины 5, отжимается, в результате чего часть рабочей жидкости из полости 8 отводится в сливную магистраль. Дроссельное отверстие 4 не позволяет быстро восстановить давление в полости 8, поэтому давление под клапаном в полости 2 становится больше и он поднимается, пропуская рабочую жидкость в полость 1, сообщенную с баком. Открытие предохранительного клапана произойдет тогда, когда давление достигнет допускаемого значения и закроется клапан 6, давление в полостях 2 и 8 сравняется и клапан 3 опустится на седло, перекрывая слив жидкости в полость 1. 177 Переливные клапаны предназначены для поддержания заданного давления в напорной магистрали путем непрерывного перепуска рабочей жидкости на слив. Кроме того, функциональное назначение переливных клапанов состоит в своевременной разгрузке насоса при завершении рабочего цикла и перепуске рабочей жидкости из напорной магистрали в сливную при нейтральном положении золотника распределительного устройства. Нередко перепускные клапаны при наличии устройств, регулирующих расход в зоне управления, используют как регуляторы скорости перемещения рабочих органов или регуляторы давления. По конструкции переливные клапаны бывают шариковые, конусные, плунжерные и др. С точки зрения надежности в гидроприводах с тяжелыми режимами эксплуатации предпочтение следует отдавать плунжерным переливным клапанам, которые по долговечности превосходят все остальные. Устройство переливного клапана плунжерного типа показано на рисунке 12.7. В корпусе 1 клапана установлены запорный орган, выполненный в виде плунжера 4 и поршень 5. Причем поршень 5 установлен на плунжере 4 с возможностью ограниченного упора 6 и 13 перемещения относительно корпуса 3. Полость Б над поршнем 5 сообщена с каналом управления 7, а полость А под поршнем 5 сообщена с напорной магистралью 2. В плунжере 4 клапана выполнен канал 12, сообщающий полости А и Б, причем поршень 5 установлен с возможностью прикрытия канала 12 в крайнем верхнем положении поршня 5. При сообщении полости Б каналом управления со сливом в полостях А и Б возникает перепад давления, под действием которого поршень 5 перемещается вверх, преодолевая сопротивление пружины 10, и, воздействуя на упор 6, перемещает плунжер 4 в сторону открытия клапана. При этом открытие клапана происходит под действием максимального перепада давления, определяемого величиной сопротивления только кольцевого зазора между поршнем 5 и корпусом, так как канал 12, сообщающий полости Б и А во время открытия клапана, перекрыт поршнем 5. При закрытии канала управления перепад давления уменьшается и поршень 5 под воздействием пружины 10 начинает перемещаться вниз, открывая канал 12, что способствует более быстрому выравниванию давления в полостях Б и А и Рис. 12.7. Переливной клапан плунжерного типа: тем самым 1 - корпус клапана; 2 - напорная магистраль; 3 - корпус; 4 плунжер; 5 - поршень; 6 и 13 - 178 упоры; 7 - канал управления; 8 и 9 - крышки; 10 - пружина; 11 выточка; 12 - канал управления. более ускоренному перемещению поршня 5 и запорного органа до момента полного закрытия клапана. Конструкция описанного переливного клапана обеспечивает выполнение заданных функций в широком диапазоне температуры и расходов рабочей жидкости. 12.5. Дроссели и синхронизаторы Дроссели. Дроссельные устройства применяют для регулирования скорости гидродвигателей и представляют собой гидравлические сопротивления с постоянным или регулируемым проходным сечением. По форме рабочих элементов различают игольчатые, щелевые и канавочные, винтовые и пластинчатые. В игольчатом дросселе (см. рис.12.8; а) проходное сечение изменяют, перемещая иглу вдоль оси. В винтовом дросселе (см. рис. 12.8; б) на боковой поверхности иглы или плунжера выполнена винтовая нарезка. Сопротивление винтового дросселя зависит от длины нарезки, поэтому проходное сечение дросселей Рис. 12.8. Дроссели: а – игольчатый; б – винтовой; в – канавочный; г – щелевой; д – пластинчатый этого типа меняют, ввертывая или вывертывая иглу. В канавочных (см. рис. 12.8; в) и щелевых (см. рис. 12.8; г) дросселях на боковой поверхности плунжера сделаны треугольные или прямоугольные канавки. Поворачивая плунжер относительно корпуса, можно регулировать проходное сечение дросселя. Примером дросселя постоянного сечения может служить пластинчатый дроссель (см. рис.12.8; д), состоящий из набора пластин с отверстиями, разделенными тонкими металлическими кольцами. Сопротивление его зависит от размера и количества отверстий в пластинах и общей длины набора пластин. 179 Потери напора в дросселях при данном перепаде давления зависят от скорости потока и от силы трения, а следовательно, и от вязкости рабочей жидкости. Расход жидкости через дроссель прямо пропорционален перепаду давления, а так как перепад давления в дросселе зависит от нагрузки, преодолеваемой гидродвигателем, то при переменной нагрузке изменяется и скорость выходного звена гидродвигателя. Для поддержания обходимой скоростри гидродвигателя при изменяющейся нагрузке применяют регуляторы потока. В состав регуляторов, кроме дросселей, входят клапаны, обеспечивающие постоянный перепад давления на дросселе. Синхронизаторы. В ряде сельскохозяйственных машин для выполнения заданного технологического процесса необходима синхронная работа всех параллельно подключенных гидродвигателей. Схемы синхронизации гидродвигателей создаются на базе дроссельных или объемных делителей и сумматоров потока, которые с помощью автоматических регуляторов поддерживают равные расходы рабочей жидкости в параллельных потоках (при их разделении или слиянии) независимо от нагрузки. Принцип действия дроссельного делителя потока заключается в следующем. Рабочая жидкость о г насоса поступает в делитель через канал 2 (см. рис.12.9; а) и затем через дроссели 1 и 3 по каналам 5 и 6 проходит к потребителям, обтекая плавающий поршень 4. Если оба потребителя нагружены одинаково, давление в их подводящих магистралях равно и через каналы 5 и 6 протекают равные количества жидкости. При неодинаковой нагрузке потребителей давление в одной из камер делителя, например левой, возрастает, а следовательно, уменьшается перепад давления на дросселе 1. В результате этого большая часть жидкости стремится пройти через дроссель 3. Однако благодаря возросшему давлению в левой камере поршень 4 передвигается вправо и частично перекрывает канал 5. В этом положении поршень 4 будет находиться до тех пор, пока давление в камерах не уравновесится, а количество жидкости, поступающей к потребителям, не станет одинаковым. 180 Рис. 12.9. Делители потока: а – дроссельный; б – объёмный; 1, 3 – дроссели; 2, 5 и 6 – каналы; 4 – поршень; 7 – гидромотор; 8 – тройник; 9 - гидроцилиндр Недостаток дроссельных делителей потока — неизбежные потери напора в дросселях, а также то, что они рассчитаны на обслуживание не более двух потребителей. В этой связи их применяют лишь в передачах с относительно небольшими расходами жидкости. Объемный делитель потока (см. рис.12,9, б) представляет собой два или более гидромоторов 7, чаще всего шестеренных, собранных в один блок, так, что их ведущие шестерни жестко укреплены на одном общем валу, а ведомые шестерни свободно вращаются на общей оси. Рабочая жидкость из насоса подается к тройнику 8, откуда она поступает к гидромоторам 7, приводя их во вращение. Благодаря жесткой кинематической связи все шестерни вращаются с одинаковой частотой, поэтому в каждый из гидроцилиндров 9 поступает одинаковое количество жидкости, независимо от распределения нагрузки между ними. КПД объемных делителей потока значительно выше, чем у дроссельных, поэтому их применяют в более мощных гидроприводах. 12.6. Гидроаккумуляторы Гидроаккумуляторы служат накопления энергии и отдачи для ее Рис. 3.19. Гидравлический аккумулятор: 181 1 — корпус; 2 — поршень; 3 — пружина; 4 — флавец; 5 — жидкостная камера. гидродвигателям при кратковременных перегрузках, когда потребная мощность превышает мощность, развиваемую насосом. Гидроаккумуляторы используются также в качестве буферных устройств для сглаживания резких колебаний давления в гидроприводах при переменных нагрузках и уменьшения частоты включения предохранительного клапана. На тракторах гидроаккумуляторы применяют главным образом для поддержания заданного давления в гидроувеличителях сцепного веса при холостой работе насоса. В мобильных сельскохозяйственных машинах применяют главным образом пружинные поршневые гидроаккумуляторы. Пружинный гидроаккумулятор (см. рис.12.6) состоит из корпуса 1, порщня 2 и пружины 3, которая сжимается под действием давления жидкости, поступающей из насоса в камеру 5 через клапан зарядки (на рисунке не показан), автоматически соединяющий указанную полость 5 с нагнетательной магистралью насоса при падении давления в гидроаккумуляторе ниже определенной величины и отключает насос при достижении заданного давления зарядки. При соединении полости 5 с потребителем пружина 3 разжимается и выталкивает жидкость из гидроаккумулятора в рабочую камеру потребителя. Пружинные гидроаккумуляторы имеют малую емкость и рассчитаны на небольшие давления (2—3 МПа). В ряде мобильных машин применяются гидропневматические аккмуляторы, имеющие внутри герметичной емкости две камеры— воздушную и жидкостную, разделенные поршнем с уплотнением. Гидропневматические аккумуляторы изготавливаются на давление до 20 МПа. 12.7. БАКИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ Баки предназначены для питания гидроприводов рабочей жидкостью. В них она охлаждается, из нее удаляются пузырьки растворенного воздуха и осаждаются загрязнения. В гидроприводах сельскохозяйственных машин баки работают при атмосферном давлении, для чего они оборудованы сапунами. Баки имеют заливную горловину с фильтром грубой очистки, всасывающий и сливной патрубки. Для слива рабочей жидкости и удобства промывки бака в самом низком его месте располагается сливная пробка. Внутри бака между всасывающим и сливным отверстием выполняется перегородка высотой, равной 2—3 уровням жидкости в баке. Бак снабжают указателем уровня жидкости закрытого типа. 182 Кондиционеры рабочей жидкости служат для поддержания в процессе эксплуатации гидропривода необходимых качественных показателей рабочей жидкости. Фильтры в гидросистемах машин предназначены для очистки рабочей жидкости от продуктов окисления, износа деталей, а также от посторонних частиц, поступающих извне. Наряду со способностью задерживать частицы загрязнений фильтры должны обладать возможно большей проницаемостью для рабочей жидкости, с тем чтобы свести до минимума их гидравлическое сопротивление. Очистка жидкости от загрязнений заключается в процеживании ее под некоторым избыточным давлением через чистые сетки, ткани, пористые материалы и силовые поля. В тракторах и сельскохозяйственных машинах наибольшее распространение получили фильтры из латунной сетки саржевого плетения, устанавливаемые на сливных линиях гидроприводов. В основном применяют сетку номеров 0,046; 0,06; 0,071; 0,1; 0,15. Номер сетки одновременно указывает размер стороны ячейки в свету в миллиметрах. Для предохранения фильтрующих элементов от разрушения фильтры в сельскохозяйственных машинах снабжаются предохранительными клапанами, настроенными на давление 0,15... 0,2 МПа, которые срабатывают при сильном загрязнении. В этих случаях рабочая жидкость в основном не фильтруется, а агрегаты гидропривода подвергаются ускоренному износу. Для гидроагрегатов, требующих повышенной тонкости фильтрации, применяют фильтры с пористыми фильтрующими элементами. Теплообменники предназначены для обеспечения заданного температурного режима рабочей жидкости. В гидросистемах машин применяют в основном воздушные теплообменники, в которых теплообменные трубки, как правило, обдуваются потоком воздуха, создаваемого вентилятором или за счет естественной циркуляции воздушных потоков. 12.8. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАГИСТРАЛИ И РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ Гидравлические магистрали. Для подвода рабочей жидкости к элементам гидропривода применяют жесткие металлические трубопроводы и гибкие рукава среднего и высокого давления. Трубопроводы изготавливают в основном из стальных бесшовных труб, к которым припаивают или приваривают трубопроводную арматуру. В сельскохозяйственном машиностроении используют трубопроводную арматуру с шарообразным ниппелем с углом конуса 60°. В связи с большими 183 динамическими нагрузками в гидросистемах грейферных погрузчиков используют гидроарматуру с углом конуса 24°. Рукава среднего давления армированные выпускаются с условным проходом 8 и 12 мм на рабочее давление 10 и 8 МПа соответственно. Рукава высокого давления армированные выпускают с условным проходом 8, 10, 12, 16, 20 мм на рабочее давление до 15, 13, 12, 10, 9 МПа соответственно. В гидросистемах машин, агрегатируемых с тракторами, применяют запорные устройства и разрывные муфты. Запорные устройства предназначены для автоматического запирания вручную разъединяемых полостей гибких рукавов и гидроагрегатов и защиты их от попадания пыли и грязи. Разрывные муфты предназначены для автоматического разъединения и запирания гибких рукавов при возникновении в них аварийных растягивающих усилий (отсоединение сельскохозяйственных машин от трактора). Рабочие жидкости в гидроприводе передают энергию, выполняют смазывающие и охлаждающие функции, защищают детали от коррозии и выносят из гидроагрегатов продукты износа. В связи с этим работоспособность гидроприводов, их надежность и долговечность в значительной степени зависят от типа применяемой рабочей жидкости и ее состояния в процессе эксплуатации. Одна из важнейших характеристик рабочей жидкости — это вязкость, которая характеризует внутреннее трение жидкости. От вязкости зависят возможность появления слоя жидкости на поверхности трущихся деталей и предотвращение их износа и заедания, а также скорость течения жидкости в зазорах, ее нагрев, параметры работы всех гидравлических агрегатов. Наиболее чувствительны к изменению вязкости насоси— при большой вязкости возможны неполное заполнение всасывающей магистрали и снижение производительности, при малой вязкости— резкий рост утечек, увеличение интенсивности износа трущихся деталей. Вязкость минеральных масел сильно зависит от температуры, поэтому в процессе эксплуатации необходимо поддерживать температуру рабочей жидкости в рекомендуемых пределах. В гидротрансмиссиях самоходных машин используется масло ЭШ (ГОСТ 10363—78), а в гидросистемах управления положением рабочих органов, гидроприводе активных рабочих органов, гидрообъемном рулевом управлении гидросистемах погрузчиков и тракторов - моторные масла: летом - М-10В, М-10Г, зимой - М-8В, М-8Г (ГОСТ 8581 - 78). Для аксиально-поршневых гидромашин применяют следующие масла: летом веретенное АУ (ОСТ 38.01412 - 86), индустриальное И-20А, И-ЗОА (ГОСТ 20799 - 88), зимой - ВМГЗ (ТУ 38.101.479 - 84). Марку масла выбирают в зависимости от климатической зоны и времени года. Зимой следует применять менее вязкие сорта масла. Избыточное количество в масле частиц воды и воздуха может привести к пенообразованию, которое ухудшает 184 смазывающие свойства масла, вызывает повышенный износ трущихся деталей, коррозию и образование устойчивых эмульсий. Кроме того, сжатие воздушных пузырьков сопровождается выделением теплоты, что ускоряет процессы окисления и разложения масла. При окислении вязкость масла понижается и из него выпадают различные смолистые отложения, разрушающие резиновые уплотнения. Для уменьшение окисления масел, снижения способности к пенообразованию в них добавляют специальные присадки. 1. Насосы. Наибольшее распространение в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении получили роторные шестеренные насосы. 2. Гидродвигатели — гидромоторы и гидроцилиндры используют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении как унифицированные, так и специального назначения. Наиболее широко применяются шестеренные, аксиально-поршневые и планетарные гидромоторы. 3. Гидрораспределители используются для распределения потоков жидкости в гидроприводах. В сельскохозяйственных машинах и тракторах наиболее распространены гидрораспределители золотникового типа. 4. Клапаны бывают обратные (для пропуска рабочей жидкости в одном направлении и перекрытия ее движения в обратном); предохранительные (для защиты гидропривода от перегрузок путем ограничения максимального давления); переливные (для поддержания заданного давления в напорной магистрали путем непрерывного перепуска рабочей жидкости на слив). 5. Дроссели применяют для регулирования скорости гидродвигателей. Они представляют собой гидросопротивления с постоянным или регулируемым проходным сечением. 6. Синхронизаторы обеспечивают синхронную работу всех параллельно подключенных гидродвигателей сельскохозяйственной машины с целью выполнения заданного технологического процесса. 7. Гидроаккумуляторы служат для накопления энергии и отдачи ее гидродвигателям при кратковременных перегрузках, когда потребная мощность превышает развиваемую насосом. 8. Баки предназначены для питания гидропривода рабочей жидкостью. В них она охлаждается и очищается. 9. Кондиционеры рабочей жидкости служат для поддержания в процессе эксплуатации гидропривода необходимых качественных показателей рабочей жидкости. К ним относятся фильтры и теплообменники. Фильтры в гидросистемах машин предназначены для очистки рабочей жидкости от продуктов окисления и износа деталей, а также от посторонних частиц, поступающих извне; теплообменники — для обеспечения заданного температурного режима рабочей жидкости. 185 10. Гидравлические магистрали служат для подвода рабочей жидкости к элементам гидропривода (применяют жесткие металлические трубопроводы и гибкие рукава среднего и высокого давления). 11. Рабочие жидкости в гидроприводе передают энергию, выполняют смазывающие и охлаждающие функции, защищают детали от коррозии и удаляют из гидроагрегатов продукты износа. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 7.Что такое гидропривод? 8.Назовите преимущества и недостатки гидропривода. 9.Дайте классификацию гидроприводов. 10.Когда можно приступать к выбору параметров и расчету гидропривода? 11.Как осуществляется выбор гидроцилиндров и гидромоторов? 12.Для чего проводится тепловой расчет гидропривода? 186 13. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ 13.1. ДОСТОИНСТВА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИНАХ В автомобилях, тракторах и сложных сельскохозяйственных машинах при передаче энергии между валами, вращающимися с различными и переменными в процессе работы частотами, применяют гидродинамическую передачу. Гидродинамической передачей называется совокупность механизмов и систем, передающих механическую энергию от двигателя к потребителю посредством потока жидкости. Гидродинамические передачи состоят из двух частей — насосной и турбинной. В насосной механическая энергия преобразуется в энергию потока жидкости (динамический напор), в турбинной части гидравлическая энергия потока капельной жидкости — в механическую. Основное достоинство гидродинамической передачи — это бесступенчатое и автоматическое изменение частоты вращения ведущего вала в зависимости от нагрузки на ведомом валу. Другие преимущества заключаются в быстроходности и плавности работы (плавное трогание с места и плавный разгон), отсутствии трущихся пар (практически нет износа основных деталей), бесшумности передачи, отсутствии крутильных колебаний, высоком КПД (η = 0,96...0,98), возможности осуществления дистанционного и автоматического управления, эксплуатационной надежности. В целом применение гидродинамической передачи делает удобным управление машинами и повышает их экономичность. По принципу действия они делятся на гидромуфты и гидротрансформаторы. Принципиальное отличие гидромуфты от гидротрансформатора заключается в том, что первая не имеет реактивного элемента и момент на ее вторичном валу равен моменту на первичном. У гидротрансформатора имеется реактивный элемент в виде неподвижного направляющего аппарата (реактора), с помощью которого можно изменить не только величину крутящего момента вторичного вала, но и другие параметры по сравнению с их значениями на первичном валу. Следовательно, гидромуфта передает мощность без изменения величины крутящего момента, а гидротрансформатор способен изменять ее. Гидродинамические передачи применяются для: - регулирования скорости вращения ведомого вала при сохранении постоянной скорости вращения ведущего вала; - разгона больших маховых масс, например подключения и отключения стартера при запуске газовых турбин; - отклонения устройств и аппаратов разгона на автомобилях, тракторах; - суммирования мощностей и реверса. 187 13.1.1. ГИДРОМУФТЫ Типовая конструктивная схема гидромуфты представлена меридиональным сечением (см. рис. 13.1, а). Сечение гидромуфты, плоскостью проходящей через её ось, называется меридиональным. Гидромуфта состоит из насосного колеса 1, установленного на ведущем валу 5, турбинного колеса 2, насаженного на ведомый вал 3, и корпуса 4 (рис. 12.1, а). Насосное колесо 1, вращаясь от двигателя, подобно центробежному насосу, забирает из турбинного колеса 2 жидкость, которая под воздействием центробежной силы отбрасывается к периферии, перемещаясь вдоль лопаток и вращаясь одновременно с колесом. Вследствие этого рабочая жидкость приобретает запас кинетической энергии и энергии давления. С насосного колеса 1 жидкость попадает на лопатки турбинного колеса 2, преобразует этот запас энергии в механическую работу вращения ведомого вала. Потеряв некоторое количество энергии на преодоление сопротивления вращению турбинного колеса 2, жидкость по его лопастям направляется к центру гидромуфты, где она вновь переходит на насосное колесо 1, и цикл ее движения повторяется. Таким образом, жидкость в гидромуфте циркулирует от насосного колеса 1 к турбинному 2 (относительное движение (рис. 12.1, б)), вращается вместе с колесом (переносное движение) и образует вихревое кольцо (абсолютное движение), называемое кругом циркуляции. Рис. 13.1. Схема к расчёту функциональных параметров гидромуфты: а – меридиональное сечение; б – параллелограмм скорости 188 Гидромуфты изготовляют без тора или с тором незначительной величины. Тором называется внутреннее кольцо гидромуфты, так как оно имеет геометрическую форму в виде полого тора, который может быть металлическим и воздушным. Гидромуфты делятся на регулируемые и нерегулируемые, бывают постоянного и переменного наполнения. В регулируемой гидромуфте скорость вращения ведомого вала зависит не только от скорости вращения ведущего вала, но и от положения управляемого извне регулирующего устройства. В таких гидромуфтах предусматривается устройство для управления потоком жидкости внутри нее воздействием извне. К нерегулируемым относятся гидромуфты, у которых при постоянной скорости вращения ведущего вала скорость вращения ведомого вала зависит только от нагрузочного момента на ведомом валу. В меридиональном сечении (см. рис. 13.1, а) направление движения рабочей жидкости можно показать только при относительном движении вдоль лопаток колес. Особенность относительного движения жидкости в гидромуфте — возрастание скорости циркуляции жидкости с увеличением разности угловых скоростей вращения насосного и турбинного колес, в результате чего жидкость с еще более значительной силой ударяет по лопастям турбинного колеса, и это приводит к увеличению значения крутящего момента. При замедлении вращения турбинного колеса действие центробежных сил на жидкость снижается, что обусловливает уменьшение сопротивления ее продвижению от насосного колеса через турбинное, а это в свою очередь увеличивает скорость циркуляции жидкости. Следовательно, при возрастании скорости циркуляции для вращения насосного колеса необходимо приложить больший момент. При этом на лопатки насосного колеса действует большее значение кориолисовой силы, которая повышает давление на лицевой стороне лопатки насосного колеса и на тыльной стороне лопатки турбинного колеса. Функциональные параметры гидромуфты рассчитываются на основе уравнения Л. Эйлера, согласно которому для гидромашин энергия колес гидромуфты, отнесенная к единице веса жидкости (Н), может быть выражена напором: для насосного колеса Н1 1 Cu2 u 2 Cu1 u1 ; g (13.1) для турбинного колеса Н2 1 Cu u1 Cu2 u2 ; g 1 (13.2) где Cu1 и Cu 2 — окружные составляющие абсолютных скоростей частицы жидхости соответственно на входе и выходе рабочего колеса. 189 Так как гидромуфты в основном имеют прямые радиальные лопатки (β1 = β2 =90°), то Сu= u. Если в насосное колесо жидкость поступает из турбинного, то проекция абсолютной скорости на входе Сu11 Cu22 u22 (первые цифры индекса относятся к колесам: 1 — насосное, 2— турбинное; вторые цифры индекса — скорости на входе или выходе из колес), тогда H1 1 2 u12 u 22u11 . g (13.3) Обозначим α = r/R; u=Rω; i = ω2/ω1; тогда уравнение (13.3) принимает вид R 2 2 Н1 1 2i . g При условии, что Cu2 u11 , напор на турбинном колесе R 21 Н2 1 2i . g 2 (13.4) (13.5) Расход в меридиональном сечении для обоих колес одинаков (Q1 = Q2 = Q). В противном случае в одном из колес происходило бы накопление жидкости. Значит, моменты на ведущем и ведомом колесах запишутся равенством М1 N 1 gH1Q . 1 (13.6) Выполнив преобразование (13.6) с учетом уравнения (13.4) получим: для насосного колеса М 1 R 21 1 2i Q; (13.7) для турбинного колеса М 2 R 21 1 2i Q; (13.8) Следовательно, уравнение Эйлера подтверждает равенство моментов на колесах гидромуфты. Энергию на преодоление потерь можно выразить соответствующими зависимостями: потери напора на удар в турбинное колесо hуд.т 1 (C12 cos 12 C21 cos 21 ) 2 ; 2g (13.9) потери напора на удар при входе в насосное колесо 190 hуд.т 1 (C11 cos 11 C22 cos 22 ) 2 ; 2g (13.10) потери напора на трение и завихрение hт. з. w2 , 2g (13.11) где — суммарный коэффициент местных сопротивлений на трение и завихрение, определяемый экспериментально; С11 и С12 — абсолютные скорости частицы жидкости соответственно при входе и выходе насосного колеса; С21 и С22 — абсолютные скорости частицы жидкости соответственно прн входе и выходе турбинного колеса. При β1= β2=90°Ccosα = u уравнение баланса энергии после выполнения математических преобразований принимает вид 2 2 1 i u12 u11 1 2 1 2 w2 2 2 u12 u11i u12 u11i i . g g 2g 2g 2 (13.12) Выполнив необходимые преобразования, получим выражение для определения относительной скорости w u11 1 i m 2 2 , 1 (13.13) где m=r2/r1 — отношение радиуса турбинного колеса к радиусу насосного по средней линии циркуляции жидкости. Обозначим постоянную для данной гидромуфты через С r1 / 60, тогда уравнение для вычисления относительной скорости имеет вид w Cn1 1 i m 2 2 , 1 (13.14) где n1—частота вращения насосного колеса, мин-1. Из уравнения 13.14 следует, что относительная скорость движения жидкости по каналам лопаток рабочих колес прямо пропорциональна частоте вращения ведущего вала, при неподвижном положении ведомого вала (i = 0) относительная скорость достигает максимального значения, а по мере увеличения передаточного отношения величина ее падает. При i=1 турбинное колесо вращается с угловой скоростью насосного и перепада давления между ними нет, следовательно, жидкость не циркулирует по лопастям гидромуфты. Но практически турбинное колесо всегда отстает от насосного. При i=l скорость w = 0, что соответствует физическому содержанию происходящего процесса в 191 гидромуфте. Суммарный коэффициент потерь зависит от передаточного отношения и формы рабочей полости. Он достигает наибольших значений при минимальном скольжении. В заключение следует сказать, что циркуляция жидкости носит организованный характер и весь поток в межлопаточных каналах как бы сосредоточен по средней струйке. Внешней характеристикой гидромуфты называется зависимость крутящего момента и коэффициента полезного действия от частоты вращения турбинного колеса при постоянной частоте вращения насосного колеса. Она строится по результатам испытания гидромуфты при полном или частичном заполнении ее рабочей жидкостью. (Если объем рабочей камеры заполнен жидкостью на 90%, то такое наполнение называется полным, ниже 90% — частичным.) Внешнюю характеристику гидромуфты (рис.13.1,б) строят так: на оси абсцисс откладывают частоту вращения турбинного колеса или относительную частоту вращения турбины i = nт/nн, а на оси ординат — изменение крутящего момента, значение КПД и мощность. За нормальную расчетную точку принимается значение крутящего момента М=1 при скольжении S= =4...2% (i = nт/nн = 0,96...0,98). Из графика (см. рис.13,2), видно, что гидромуфта относится к передачам, у которых кинематические характеристики зависят от приложенной нагрузки. Это основная особенность гидродинамических передач. Чтобы понять, почему гидромуфта способна с уменьшением частоты вращения ведущего вала передавать значительно больший крутящий момент, проанализируем уравнение крутящего момента турбины (13.15) М Т Qr12u12 r1u11i . Насос вращается с постоянной частотой, поэтому u12 и u11 — величины постоянные, плотность зависит от температуры жидкости (при анализе принимаем ρ = const). 192 Рис.13.2. Внешняя характеристика гидромуфты гидромуфты Рис. 13.3. Универсальная характеристика Следовательно, переменные величины — только Q и i, поэтому увеличение передаваемого крутящего момента может происходить только за счет увеличения расхода или выражения в скобках уравнения (13.15). С уменьшением частоты вращения турбинного колеса, т. е. с уменьшением i, скорость циркуляции по каналам гидромуфты увеличивается, следовательно, растет Q. Значит, передаваемый гидромуфтой момент увеличивается. Первый член уравнения (13.15) стоящий в скобках, имеет постоянное значение. Второй член с уменьшением i также уменьшается и, когда i=0 (вал турбины остановится), превращается в нуль. Так как он имеет знак «минус», то абсолютная величина двучленна, при уменьшении i растет, что также ведет к увеличению передаваемого гидромуфтой момента. Отсюда следует, что с падением частоты вращения ведомого вала передаваемый крутящий момент гидромуфты увеличивается либо за счет роста расхода, либо за счет уменьшения передаточного отношения (см. рис.13.15, б), т. е. гидромуфта способна к работе с большими перегрузками. Для случая, когда ведущий вал имеет различную частоту вращения, строят так называемую универсальную характеристику. Универсальной характеристикой гидромуфты, называют зависимость ее крутящих моментов от частоты вращения турбинного колеса при различных частотах вращения насосного колеса (см. рис.13.3). Универсальную характеристику строят по внешним характеристикам гидромуфты, которые получают в ходе испытаний при постоянных частотах ' вращения насосного колеса, принимая последовательно nM = 100%, nH =90%, nH'' =80% и т. д. 193 На универсальной характеристике строятся графики зависимости вращающих моментов гидромуфты при одинаковых значениях КПД, т. е. Мк= f nH , nT при η = const для значения η = =0,1; 0,2; 0,3 и т. д. Универсальные характеристики гидромуфт используют для построения характеристики гидропривода, которая отражает совместную работу передачи и двигателя. Режим работы гидромуфты регулируется различными способами. Регулирование частоты вращения ведомого вала и передаваемого момента можно выполнять при постоянной частоте вращения ведущего вала и при переменной. При работе гидромуфты с постоянной частотой вращения ведущего вала регулирование частоты вращения ведомого вала можно осуществлять тремя способами: различной степенью заполнения рабочей полости; механическим изменением формы рабочей полости; перегрузкой гидромуфты путем прогрессирующего увеличения передаваемого момента или, наоборот, путем снятия нагрузки. Наибольшее распространение получил жидкостный способ регулирования — изменением степени наполнения жидкостью рабочей полости. Регулирование изменением частоты вращения ведущего вала двигателя применяется на транспортных (автомобили, тракторы) и грузоподъемных машинах. Этот способ рассмотрим на примере автомобиля. Если остаточный момент на валу гидромуфты меньше, чем сопротивление автомобиля при его движении, то машину можно остановить, не включая двигатель, а только снизив частоту вращения его вала. Если же остаточный момент у гидромуфты большой, то для остановки машины применяют тормоза для ведущих осей. Гидромуфты, управляемые за счет изменения формы проточной части при неизменной степени заполнения, или механически управляемые гидромуфты до последнего времени практически не применялись главным образом из-за малой глубины регулирования по моменту. Механически управляемые гидромуфты по способу воздействия их органов управления на поток жидкости разделяют на две группы: гидромуфты, регулируемые при постоянных размерах рабочих колес; гидромуфты, регулируемые при изменении размера одного или обоих рабочих колес. Исследования показали, что вторая группа может дать большую глубину регулирования по моменту. Глубиной регулирования по моменту называют отношение крутящего момента при основном рабочем режиме ведомого вала к минимальному моменту на том же валу при остановленной турбине. 194 Глубина регулирования по скорости — это отношение номинальной частоты вращения ведомого вала к минимально возможной частоте вращения того же вала. Для осуществления жидкостного регулирования применяют несколько систем управления, но они выполняют одну и ту же задачу — изменяют величину относительного заполнения рабочей полости гидромуфты. Эти системы регулирования могут быть разделены на три группы: с регулированием потока жидкости на входе в гидромуфту; с регулированием потока жидкости на выходе из гидромуфты; с регулированием потока жидкости при входе в гидромуфту и на выходе из нее. Системы регулирования могут иметь несколько конструктивных различий в отдельных узлах или в компоновке всей гидромуфты. К гидромуфтам с регулированием потока жидкости на входе относятся гидромуфты с верхним баком и гидромуфты со свободным выбросом рабочей жидкости в неподвижный кожух. Но смена режима их работы происходит за 2... 3 мин, что является их недостатком. Гидромуфты с вращающимся резервуаром и поворотной черпательной трубкой имеют более гибкий режим работы. Простота управления, определенность задаваемой дозировки, способность черпательной трубки легко преодолевать противодавление— качества, позволившие гидромуфте получить большое распространение. Гидромуфты с клапанным управлением и гидромуфты с дополнительным объемом относятся к системам с регулированием потока жидкости на выходе из гидромуфты. Гидромуфты с клапанным управлением имеют сложную конструкцию и не обеспечивают плавность перехода с одной скорости на другую. Гидромуфты с дополнительным объемом получили широкое применение в различных областях машиностроения. Гидромуфты с регулированием посредством шестеренного насоса и гидромуфты с комбинированным управлением имеют систему регулирования потока жидкости на входе в гидромуфту и на выходе из нее. В заключение следует отметить, что самое широкое применение получили конструкции гидромуфт со скользящей или воротной черпательной трубкой и вращающимся резервуаром и гидромуфты с дополнительным объёмом и скользящей черпательной трубкой. 13.1.2. ГИДРОТРАНСФОРМАТОРЫ Гидротрансформатор обеспечивает преобразование крутящего момента и плавность его нарастания при переходе от двигателя к ведущим органам. В 195 отличие от гидромуфты, гидротрансформатор имеет третье колесо, которое обычно закреплено неподвижно, поэтому он может передавать крутящий момент с изменением по величине, а в некоторых случаях и по знаку. Гидротрансформаторы (рис. 13.2) имеют рабочие колеса трех типов: насосные (ведущие) Н, турбинные (ведомые) Т, реакторные (реактивные) Р. Такие гидродинамические передачи могут быть изготовлены трех-, четырех- и многоколесными с одноступенчатым насосом, одно-, двух- и трехступенчатой турбиной с одним или несколькими реакторами. Наиболее широко применяются двух- и трехступенчатые гидротрансформаторы. Простейший гидротрансформатор — трехколесный (см. рис. 13.2) — состоит из насосного колеса 2, турбинного колеса 4 и неподвижного реактора 3. Все колеса установлены в одном неподвижном корпусе 1. Вал насосного колеса 2 соединен с валом двигателя, а вал турбины — с механизмом трансмиссии (для трактора), передающим крутящий момент на ведущие колеса (гусеницы) трактора. Принцип действия гидротрансформатора заключается в следующем. В процессе его работы лопатки насосного колеса 2 оказывают силовое воздействие на жидкость, заставляя ее не только вращаться вместе с колесом, но и перемещаться вдоль лопаток по направлению от входа к выходу. При этом потенциальная энергия давления лопаток насоса на жидкость под действием центробежных сил преобразуется в кинетическую энергию движения жидкости. Выйдя из насосного колеса 2, поток жидкости попадает в расположенное за ним турбинное колесо 4 и, ударяясь о его лопатки, уменьшает скорость. При движении потока по межлопастным каналам его направление изменяется в соответствии с профилем лопаток. Кинетическая энергия потока жидкости уменьшается, и на лопастях колеса турбины возникает крутящий момент, равный крутящему моменту Мн, приложенному к валу насоса. При перетекании по межлопастным сужающимся каналам колеса реактора скорость потока жидкости возрастает, а его направление совпадает с направлением вращения насосного колеса 2. На лопатках реактора создается реактивный момент Мр, воспринимаемый корпусом 1. В каждом рабочем колесе жидкость протекает сплошным потоком от входа к выходу, обтекая лопатки и находясь с ними Рис. 13.2. Схема работы в силовом взаимодействии. Циркуляция гидротрансформатора: 1 – корпус; жидкости в гидротрансформаторах по 2 – насосное колесо; 3 – реактор; 4 – турбинное колесо; 5 – скользящая муфта 196 меридиональной плоскости может происходить по двум схемам: а) насос — турбина — реактор (НТР); б) насос — реактор — турбина (НРТ). Отметим следующие особенности рабочего процесса гидротрансформаторов: 1) силовые и кинематические связи между рабочими колесами осуществляются через рабочую жидкость; 2) рабочая жидкость представляет собой одно бесконечное и непрерывное кольцевое звено, находящееся в силовом взаимодействии одновременно со всеми рабочими колесами без существования жестких кинематических связей между ними; 3) наличие силовых связей между рабочими колесами (круг циркуляции) возможно только при вращении хотя бы одного из них. Гидротрансформаторы по характеру взаимодействия с двигателем подразделяются на прозрачные и непрозрачные. Прозрачные гидротрансформаторы имеют свойство изменять режим работы двигателя в зависимости от изменения нагрузки сопротивления движению машины. Непрозрачные гидротрансформаторы изолируют двигатель от воздействия на него постоянно меняющихся внешних сопротивлений. На тракторах и автомобилях применяются гидромеханические трансмиссии и гидропередачи, которые могут работать как гидротрансформатор и как гидромуфта (переход с одного режима работы на другой происходит автоматически). Последние созданы на основе трехколесного гидротрансформатора. Особенности работы этих так называемых комплексных гидропередач заключаются в следующем. При постоянной частоте вращения насосного колеса 2 турбинное колесо 4 имеет частоту вращения, определяемую приложенным к нему сопротивлением, т. е. чем больше снимаемый крутящий момент на валу выходного звена, тем меньше его частота вращения. Если отсутствует сопротивление валу (холостой ход), частота его вращения почти равна частоте вращения насосного колеса 2 (частота вращения вала двигателя). При незначительном сопротивлении на крюке трактора момент сопротивления, приложенный через трансмиссию к валу турбинного колеса, также невелик. В этом случае установится равновесие между моментом сопротивления и моментом, с которым воздействует поток рабочей жидкости насосного колеса 2 на лопатки турбинного колеса 4. Реактор 3 позволяет изменять крутящий момент на турбинном колесе 4 пропорционально изменению момента сопротивления на валу коробки передач. В так называемой комплексной гидропередаче реактор 3 в корпусе 1 (рис. 13.2) установлен на муфте свободного хода. 5. 197 Если момент турбинного колеса больше момента насосного колеса, то действие жидкости на лопатки колеса реактора вызывает заклинивание реактора муфтой и момент Мт увеличивается пропорционально увеличению нагрузки. При МТ < МН изменяется направление движения жидкости, крутящий момент на реакторе меняет направление вращения, ролики муфты свободного хода расклиниваются и реактор вращается как одно целое с турбинным колесом. В этом случае гидротрансформатор работает как гидромуфта, т. к. преобразующее действие реактора равно нулю, а н Т . Отметим следующие важные свойства, определяемые особенностями рабочего процесса гидротрансформатора. Крутящий момент МТ на ведомом валу автоматически и бесступенчато уменьшается с увеличением частоты вращения ведомого вала от нуля до максимума. Силовое взаимодействие жидкости и лопаток происходит при незначительной по величине частоте вращения, что служит причиной потерь энергии на трение и снижения значения КПД. Силовое взаимодействие жидкости и лопаток при отсутствии жесткой кинематической связи между ведущим и ведомым валами приводит к взаимозависимости силовых и кинематических показателей режима работы. Условное обозначение гидротрансформатора состоит из: индекса Г — гидротрансформатор; цифры 3 или 4 - числа колес; трехзначного числа, обозначающего активный диаметр в мм; двух- или трехзначного числа, обозначающего крутящий момент в кгс.м. Пример: гидротрансформатор трехколесный с активным диаметром 470 мм и крутящим моментом Ми=150 кгс.м — Г-3-470-150. В отличие от гидромуфт гидротрансформаторы работают только при полном заполнении их рабочей жидкостью. С целью компенсации влияния больших скоростей и высоких температур жидкость в проточную полость гидротрансформатора подается под избыточным давлением. Вращающий момент на насосном колесе равен разности (моментов на турбинном колесе и реакторе, а вращающийся момент на турбинном колесе равен сумме вращающихся моментов два насосном колесе и реакторе: М н МТ М р ; М Т М Н М р. (13.16) Уравнения (13.16) представляют собой баланс гидравлических моментов вращения колес гидротрансформатора. Из этих уравнений следует, что потери энергии в гидропередаче происходят за счет снижения скорости вращения ведомого вала. 198 13.2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ Уравнение движения жидкости в гидродинамических передачах принципиально не отличается от основных уравнений лопастных машин. Поэтому насосное и турбинное колеса гидродинамических передач рассчитывают по теории Эйлера. Гидромуфта. Лопатки колес гидромуфты изготовляют плоскими радиальными с густотой решетки τ = 2,5... 4,0. Густота решетки — это отношение длины хорды лопатки к шагу решетки: L LZ , t D 2 (13.17) где L — длина лопатки, м; t — шаг решетки; D2 — наружный диаметр решетки, м; Z — число лопаток. Расстояние, измеренное по длине окружности колеса между двумя лопатками, называется шагом решетки. При движении жидкости в рабочем колесе центробежного насоса частица жидкости (согласно струйной теории Эйлера) имеет три скорости: относительную w, окружную u и абсолютную с. Аналогичные скорости имеются при движении циркуляционного потока в колесах гидромуфты (рис. 13.2). Так как выходное сечение насосного колеса равно входному сечению турбинного колеса и выходное сечение турбинного колеса равно входному сечению насосного колеса, то крутящий момент насосного колеса равен крутящему моменту на валу турбинного колеса без учета потерь на трение о воздух и на трение в подшипниках. М Н М . Гидромуфта. При расчете гидромуфты мощность на валу насосного колеса NH и частота вращения двигателя пн известны. Насосное колесо от двигателя получает мощность NH = gQH , H (13.18) где ηп — КПД насосного колеса гидромуфты; ηн = 0,92...0,98; N H N Д N ВСП , (13.19) где NД — максимальная мощность двигателя, Вт; NВСП — мощность, затраченная на вспомогательные механизмы, Вт; 199 NВСП = 0,1NД. КПД гидромуфты определится по зависимости NT M n T T , N H M H nH (13.20) (13.21) где NT — мощность турбинного колеса, Вт; пн, пT — соответственно частота вращения насосного и турбинного колес; МH, Мт — момент крутящий на валу насосного и турбинного колес. Известно, что МТ=МН, тогда (13.22) nТ / nН i, где i - передаточное число. Гидромуфта работает при наличии циркуляции жидкости, т.е. nН nТ . Разность между частотой вращения насосного и турбинного колес гидромуфты, отнесенная к частоте вращения насосного колеса, называется коэффициентом скольжения гидромуфты. S nН nT . nН (13.23) Если обозначить передаточное отношение i =пт/пН, то величина скольжения может быть определена по зависимости S = 1 – i. Скольжение регулируется заполнением гидромуфты рабочей жидкостью и составляет от 2 до 4%. Коэффициент быстроходности гидромуфты, по классификации И. И. Куколевского, составляет nS =50... 70 ед. Напор насосного колеса определяется по формуле 1000 N H nH2 Н M 2 gnS 0, 4 (13.24) где ns - коэффициент быстроходности, ns = 50...70. Расход жидкости через насосное колесо Q Nн g н н. (13.25) Гидротрансформатор. Лопатки колес гидротрансформаторов изготовляют плоскими цилиндрическими, пространственной или аэродинамической формы с густотой решетки = 1,1... 1,7. 200 Коэффициент быстроходности в гидротрансформаторах с нормальными центробежными колесами и с отношением диаметров D2/D1 = 2 ns= 70... 120, с быстроходными колесами и D2/D1 = 1,2... 1,6 ns = 150...350. Отношение крутящего момента турбинного колеса к крутящему моменту насосного колеса называется коэффициентом трансформации гидротрансформатора: К = МT/МH. (13.26) Коэффициент трансформации гидротрансформаторов находится в пределах 2...6,5. Он зависит от типа гидротрансформатора и от изменения угловых скоростей ωуг т при ωуг н = const. Коэффициент полезного действия гидротрансформатора η = NT/NH = MTnT/MHnH = K/i, (13.27) где i — передаточное число; i = пT/пн. Для автомобильных гидротрансформаторов η = 0,86...0,87. Основные размеры гидротрансформатора определяются по тем же расчетным формулам, что и для гидромуфты. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Что называется гидродинамической передачей? 2. На какие виды делятся гидродинамические передачи по принципу действия? 3. Каково назначение гидромуфты и гидротрансформатора? 201 14. ОСНОВЫ ГИДРОМЕЛИОРАЦИИ И МЕХАНИЗИРОВАННОЕ ОРОШЕНИЕ 14.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Вода — вещество, встречающееся на земном шаре в естественных условиях в огромном количестве во всех трех агрегатных состояниях (жидком, газообразном, твердом). Она покрывает 75 % поверхности Земли (планеты) и составляет 50 % массы любого живого существа. Запасы пригодной для потребления воды ограниченны, но на практике она расходуется нерационально, загрязняется, отравляется, что, кроме затруднения снабжения ей, нарушает общее экологическое равновесие в природе. Запасы на Земле всех видов воды в свободном состоянии составляют 1 386 млн км3. Если весь земной шар покрыть ее равномерным слоем, то его толщина будет равна 3 700 м. Суммарные запасы пресной воды (реки, озера и др.) — 35 млн км3 (2,5 % от общего количества воды). Из них 24 млн. км3 (около 70 %) находится в ледниках и снежном покрове холодных регионов планеты, поэтому они труднодоступны для практического использования. Основным источником обеспечения водой человечества являются реки и озера, в которых воды — 2 500 км3. Из-за больших колебаний речного стока от года к году и в течение одного года без регулирования можно использовать 25 % ее устойчивой части. В процессе круговорота воды в природе возобновляемые ресурсы пресной воды составляют 12 500 км3; основной ее источник на суше — влага, приносимая с поверхности океана; выпадая в виде атмосферных осадков, она образует воды континентов и поддерживает их питание. Значит, океан в природе играет роль гигантского опреснителя и обеспечивает восстановление количества и качества пресной воды. Постоянно протекающий на земном шаре геофизический процесс, включающий испарение воды с поверхности океана, перенос паров воздушными потоками в атмосфере, образование облаков и выпадение осадков над океаном и сушей, движение воды на поверхности земли и в ее недрах и сброс воды снова в Мировой океан, называется круговоротом воды в природе. На суше ежегодно выпадает 119 000 км3 атмосферных осадков, из них 68 % снова испаряется, 31 % достигает океана через реки и 1 % — в виде подземного стока, т. е. поверхностный сток составляет около 47 000 км3, а подземный — 1 200 км3. В круговороте участвуют огромные массы воды в виде атмосферных паров — около 12 300 км3. Основными водоисточниками для сельскохозяйственных нужд являются следующие: 1) поверхностные воды: реки, озера, каналы, водохранилища и т. д.; 202 2) подземные воды, добываемые через трубчатые и шахтные колодцы и родники. Поверхностные воды. С точки зрения поверхностного стока наибольшее значение имеют реки, т. е. поверхностные текучие воды, принимающие участие в общем круговороте воды. Одна из основных характеристик рек и речного стока — это площадь водосбора, или бассейн реки. Линия, отделяющая в плане водосборную площадь одной реки от другой, называется водораздельной. В площадь водосбора реки входят водосборные площади всех притоков. Для характеристики стока в гидрологии применяются следующие понятия: 1) расход воды Q — это количество воды, прошедшее за секунду через поперечное сечение реки, м3/с; 2) объем стока W — это количество воды, прошедшее через сечение реки за определенный промежуток времени; W = Qt, м3 (см. рис. 14.1). Подземные воды. Для сельского хозяйства подземные воды имеют исключительно важное значение. Подземные воды, скапливающиеся в верхнем водопроницаемом слое, называются грунтовыми. Они залегают непосредственно под почвенной влагой и часто смыкаются с ней. Режим грунтовых вод непостоянен и в основном зависит от количества осадков. Чем глубже залегают грунтовые воды, тем меньше они загрязнены и тем меньше их режим зависит от атмосферных осадков. Рис. 14.1. Схема залегания подземных вод Подземные воды, находящиеся в водоносном слое, залегающем между водонепроницаемыми слоями, называются межпластовыми. В противоположность грунтовым они являются напорными, поэтому вода в колодцах или скважинах, встретивших межпластовый напорный горизонт, поднимается и устанавливается на некотором уровне выше кровли водоносного слоя. Иногда пьезометрический уровень оказывается выше поверхности земли. Тогда вода из скважины будет самоизливаться, фонтанировать. Такие напорные воды называются 203 артезианскими. Область их питания часто находится на большом расстоянии от места их использования, поэтому режим межпластовых вод меньше связан с условиями питания водоносного горизонта и более постоянен, чем у грунтовых. Качество воды и расход остаются более постоянными по всей области распространения межпластового водоносного слоя. Межпластовые воды хорошо защищены перекрывающими водоупорными породами от попадания загрязнений с поверхности и обычно бывают чистыми в бактериологическом отношении. 14.2. ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО И ПРИНЦИПЫ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ С ростом народонаселения и развитием производительных сил водопотребление постоянно увеличивается (с 1900 по 1975 г. в 7 раз — с 400 до 2 800 км3 в год). К 2015 оно достигнет 8 500 км3, из них на нужды сельского хозяйства потребуется 4 700 км3 воды. Значит, сельское хозяйство — основной потребитель воды. Это говорит об исключительной важности мероприятий по водоснабжению и водораспределению для нормального развития всего народного хозяйства. Совокупность мероприятий по использованию природных ресурсов воды для нужд общества называется водным хозяйством. Оно делится на ряд основных отраслей 1) гидроэнергетика — использование энергии воды; 2) водные, или инженерные, мелиорации, включающие орошение и осушение; 3) водоснабжение и канализация населенных пунктов, промышленности и сельскохозяйственного производства; 4) водный транспорт; 5) использование водных недр (разведение и лов рыбы и т. д.). 6) применение воды для санитарных целей, благоустройства городов и поселков, для спортивных мероприятий и т. д. Исходя из идеи использования водных ресурсов с наибольшим эффектом для народного хозяйства, основное условие правильно поставленного водного хозяйства заключается в комплексном использовании водных ресурсов. Таким образом, при решении одной какой-либо задачи (например, орошения сельскохозяйственных угодий) следует предусматривать с максимальным общим эффектом решение одновременно и других проблем водоснабжения, энергетики и т. д. с обязательным учетом вопросов экологии. 204 14.3. НАЗНАЧЕНИЕ МЕЛИОРАЦИИ И ЕЕ ВИДЫ Термин «мелиорация» происходит от латинского слова «meliora-cio» — улучшение. Сельскохозяйственная мелиорация — это комплекс мероприятий, направленных на коренное улучшение сельскохозяйственных угодий и обеспечивающих повышение их продуктивности. Мелиорации разделяются на значительное число видов в зависимости от способа их осуществления и объекта.воздействия. Гидротехнические мелиорации (гидромелиорации, или водные мелиорации) — это комплекс мероприятий, обеспечивающих регулирование водно-воздушного режима почв в соответствии с требованиями повышения их плодородия. Осуществляются они посредством оросительных, обводнительных или осушительных систем в зависимости от требуемого вида гидромелиорации. Агротехнические мелиорации (агромелиорации) — это комплекс агротехнических приемов обработки почвы, направленных на улучшение природных условий произрастания сельскохозяйственных культур и сохраняющих воздействие на почву несколько лет. Лесотехнические мелиорации (лесомелиорации) состоят в создании лесопосадок для защиты почвы от водной и ветровой эрозии, обеспечивающих улучшение климатических условий мелиорируемой территории. Химические мелиорации осуществляются путем внесения в почву соответствующих химических элементов, обеспечивающих улучшение ее химического состава и связанных с ним водно-физических свойств, а также повышение плодородия. Культурно-технические мелиорации предусматривают очистку поверхности и почвы от элементов, затрудняющих ее обработку. 14.4. ГИДРОМЕЛИОРАЦИЯ И ОРОШЕНИЕ В нашей стране сельское хозяйство ведется в сложных климатических условиях. Более 60 % пашни и около 70 % всех сельскохозяйственных угодий расположены в засушливых районах. Значительная часть пашни находится в зонах увлажнения. Неблагоприятные климатические условия приводят к существенному снижению урожайности сельскохозяйственных культур, к большим колебаниям валового сбора зерна, кормов и другой продукции. Поэтому вопросам гидромелиорации необходимо уделять большое внимание. Гидромелиорация решает задачи регулирования водно-воздушного режима почв в соответствии с требованиями наиболее эффективного использования земель, оказывает большое влияние на тепловой микробиологический и питательный режим, а следовательно, на плодородие почвы и направление почвообразовательного процесса. 205 Условия избытка влаги и недостатка в почве воздуха, тепла и усвояемой пищи для растений отмечаются в местностях с невысокой температурой и большой влажностью воздуха. В силу климатических и гидрологических особенностей здесь наблюдается превышение атмосферных осадков над испарением и стоком, т. е. естественного прихода влаги над ее расходом, что приводит к созданию обширных площадей болот и заболоченных земель. В условиях избыточного увлажнения дефицитно содержание в почве воздуха и усвояемой пищи, а также понижена температура почвы. Проводимые здесь осушительные мелиорации направлены на усиление аэрации и повышение температуры почвы путем отвода избытка воды и поддержания нужного режима влажности. Общая площадь земли, нуждающейся в осушительных мелиорациях в нашей стране очень большая. Только в Нечерноземной зоне России избыточно увлажнено около 13 млн га земель, что составляет 26 % площади сельскохозяйственных угодий зоны. Значит, эти угодья нуждаются в осушительных мелиорациях. Они выполняются посредством осушительных систем. Осушительной системой называют комплекс инженерных сооружений и механизмов, обеспечивающих сбор и отвод воды с осушаемой территории. В состав такой системы входят следующие основные элементы. Регулирующая сеть служит для сбора и удаления с территории избыточных поверхностных и грунтовых вод. Ограждающая сеть защищает территорию от поверхностных или грунтовых вод, притекающих извне. Проводящая сеть связывает регулирующую и ограждающую сети с водоприемником, служащим для приема воды, собираемой с осушительной территории (река, озеро, балка и др.). Осушительные системы подразделяются на открытые, когда регулирующая сеть выполнена в виде открытых каналов, и закрытые, — в форме закрытых дренажей. По способу отвода воды осушительные системы бывают самотечные и с машинным водоподъемом. Орошение (ирригация) — это искусственное увлажнение почвы для достижения высокого и устойчивого урожая сельскохозяйственных культур. В орошении практически нуждаются почвы всех природных зон. Оно дает большой эффект и в зонах неустойчивого увлажнения (Нечерноземная зона России). Виды орошения. В зависимости от регулярности увлажнения почв орошение делят на регулярное и разовое. При регулярном орошении почва увлажняется в нужные сроки и в требуемой степени в течение всего вегетационного периода. При этом преследуется цель максимального удовлетворения потребности в воде сельскохозяйственных культур. Разовое орошение обеспечивает увлажнение почвы только раз в год, обычно это весенняя или осенняя влагозарядка. Регулярное — основной вид орошения — осуществляется путем периодического внесения определенных порций 206 воды, аккумулируемых в почве за счет ее водопоглощающей способности, или за счет непрерывной подачи влаги в соответствии с водопотреблением растений и складывающимися метеорологическими условиями. Влияние орошения на почву. Орошение оказывает сложное и многообразное влияние на физические, химические, биологические и другие процессы, происходящие в почве, что должно учитываться в практической деятельности. Оно изменяет влажность, температуру, теплоемкость, механический состав, пористость, структурность, водопроницаемость и водоудерживающую способность почв, распределение химических элементов, уровень грунтовых вод и др. При правильной организации орошения все эти явления могут способствовать процессу почвообразования и повышению ее плодородия. Однако при орошении возможны негативные последствия. Периодические поливы обусловливают постоянное движение в почве воды и минеральных солей, причем частицы соли вымываются вглубь, где они концентрируются и образуют плотный малопроницаемый для воды и воздуха слой. Обильные поливы при слабом дренировании массива могут повышать уровень грунтовых вод и вызывать заболачивание орошаемых земель. Если при этом грунтовые воды сильно минерализованы, то в результате испарения воды в верхнем слое почвы откладывается много солей и почва оказывается засоленной. Увлажнение почвы, особенно при динамическом воздействии капель дождя, часто приводит к разрушению структуры ее верхнего слоя, что влечет за собой заплывание верхнего слоя пахотного горизонта и образование так называемой почвенной корки. Она увеличивает напор влаги, задерживает доступ воздуха к корням растений, неблагоприятно сказывается на биологических процессах, понижая урожайность сельскохозяйственных культур. Все эти негативные моменты необходимо учитывать в практике орошения. Способы орошения сельскохозяйственных культур. Существуют 3 способа подачи воды и распределения ее на орошаемых полях. Поверхностный полив — распределение оросительной воды осуществляется путем тока ее по поверхности почвы. Дождевание — распределение воды осуществляется в виде дождя, создаваемого над орошаемой площадью при помощи особых аппаратов, при этом увлажняется не только почва, но и приземная часть воздуха и надземная часть растений, Внутрипочвенное орошение — вода подводится не с поверхности почвы, а снизу, по уложенным в земле трубам, и активный слой почвы увлажняется за счет всасывающей силы почвы. Наибольшее распространение получили способы дождевания и поверхностного полива, наименьшее — внутрипочвенное орошение. 14.5. ОРОСИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ. РЕЖИМ ОРОШЕНИЯ Орошение — искусственное увлажнение активного слоя почвы с целью восполнения недостающей для нормального развития сельскохозяйственных 207 растений влаги. Оно осуществляется посредством оросительных систем. Оросительная система — комплекс сооружений и механизмов, служащий для забора воды из "источника, для транспортирования и распределения ее по орошаемой площади. Она состоит из следующих основных элементов (рис. 13.1): водоисточника 1, водозаборного сооружения (узла машинного водоподъема) 2, магистрального канала 3, подводящего воду к Рис. 14.1. Схема оросительной межхозяйственным распределителям, системы состоящим из холостой — от головного сооружения до распределительных каналов — и рабочей частей межхозяйственных каналов 4, распределяющих воду между отдельными хозяйствами; хозяйственных распределителей 5 различного порядка, подающих воду во временные каналы на поливных участках; временной оросительной регулирующей сети внутри поливных участков, состоящей из временных, ежегодно устраиваемых оросителей 7, выводных 8 и поливных 6 борозд (полос), распределяющих воду на полях и переводящих ее в почвенную влажность нужной величины. Регулирующая оросительная сеть может также состоять из закрытых или передвижных трубопроводов и передвижных дождевальных или поливных агрегатов. Оросительная система содержит сбросную сеть, служащую для удаления с орошаемых площадей излишней поверхностной воды и располагаемую по пониженным отметкам орошаемых земель, и дренажную есть, сооружаемую на таких землях с близким залеганием грунтовых вод. Для регулирования движения воды в системе и управления им служат искусственные регулирующие сооружения. Каждая оросительная система должна удовлетворять определенным хозяйственным задачам и обеспечивать требуемую водоподачу на поля. Элементы системы должны находиться во взаимосвязи друг с другом. Оросительные системы бывают: 1) по типу водозабора — самотечные и с механическим водоподъемом; 2) по конструкции водопроводящей сети — открытые (каналы, лотки), закрытые (подземные напорные трубопроводы) и комбинированные (более крупные элементы — открытые, остальные — закрытые); 3) по способу полива — системы поверхностного полива, дождевальные и системы внутрипочвенного орошения. Оросительная система должна отвечать следующим требованиям: 208 - обеспечивать подачу воды на орошаемые земли в требуемое время и в нужном количестве; - обеспечивать качественное увлажнение почвы; - иметь минимальные потери воды; - занимать минимальную площадь отчуждения под элементы системы; - иметь минимальную стоимость строительства и эксплуатации. Правильно подойдя к проектированию всей оросительной системы, распределительных и магистрального каналов, водозаборных сооружений и поливной техники можно лишь при условии, если известна потребность в воде на полях, т.е. известен режим орошения сельскохозяйственных культур. Режим орошения представляет собой совокупность числа, сроков и норм поливов и должен обеспечивать нужный для данной культуры водный режим в конкретных климатических и агротехнических условиях. Объем воды, вносимый на 1 га за один полив, называется поливной нормой, за весь поливной период — оросительной нормой (это сумма всех поливных норм). Время, в течение которого расходуется поливная норма, именуется периодом или временем полива, время между двумя поливами — межполивным периодом. Величина оросительной нормы определяется так: М=Е- 0 W E0 , (14.1) где Е — общее водопотребление культурами — транспирация культур; μ — коэффициент использования осадков; ρ0 — количество осадков, поступающее в активный слой почвы в течение вегетационного периода; E0 — испарения с поверхности почвы за этот же период; ΔW — используемый внутренний запас влаги в почве; ΔW = W0 - W + K, (14.2) где W0 — запас влаги в активном слое почвы в начале вегетационного периода; W — запас влаги в этом слое в конце вегетационного периода; К - количество капиллярной влаги, поступающей в активный слой почвы снизу из грунтовых вод при близком их залегании (менее 2,5 м). Величину поливной нормы в общем виде можно записать так: m = HА(βmах - β0), (14.3) где Н — глубина активного слоя почвы, отвечающего фазе развития растений, м; А — полная влагоемкость почвы или пористость (скважность) почвы, %; βmах и βо — соответственно влажность, отвечающая предельной и начальной влагоемкости почвы перед поливом, выраженные в процентах от пористости. Запас воды в активном слое почвы после полива, равный Wt, расходуется на транспирацию и испарение. Если суточный расход влаги с 1 га данной культуры в этот период равен ε (м3/сут), то через τ суток после первого полива запас влаги в почве будет 209 W = W1 - τε. (14.4) Этот запас влаги не должен приводить к снижению влажности ниже Р0, Т. е. не должно быть израсходовано влаги с 1 га больше т. Тогда связь между поливной нормой и частотой поливов, или длительностью межполивного периода τ, определяется условием m . (14.5) Величина е в течение вегетационного периода растений изменяется по фазам их развития и определяется на основе опытных данных для каждой культуры при конкретных природных условиях агротехники и урожайности. Поэтому сроки и число поливов должны быть согласованы с фазами развития растений, почвенными и климатическими условиями. Водопотребление конкретной культуры при заданной плановой урожайности и все другие члены уравнения (13.2) зависят от метеорологических факторов (температуры воздуха, количества осадков, ветровых условий и др.). Следовательно, оросительная норма определяется, по существу, случайными факторами и в различные годы не будет одинаковой. Режим орошений, как правило, проектируют на год при 95% обеспеченности дефицита водного баланса каждой культуры на основе данных ряда лет (25 и более) по суммарному дефициту водного баланса. 14.6. ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПОЛИВ И СРЕДСТВА ЕГО МЕХАНИЗАЦИИ Для поверхностного полива характерны: —возможность получения различной глубины промачивания почвы; —сильное гравитационное промачивание верхних слоев почвы и аккумуляция в них запасов воды; —режимы орошения с большими колебаниями влажности почвы вследствие трудности производства частых поливов малыми нормами. По распределению воды поверхностный полив можно разделить на 2 основные группы. 1. Способ распределения воды по всей поверхности поля сплошным слоем, когда вода в почву поступает в вертикальном направлении под действием в основном гравитационных сил. Это полив по полосам и затоплением. 2. Способ распределения воды по поверхности поля по бороздам, когда вода поступает в почву в боковом направлении, т. е. капиллярным путем. Это полив по сквозным и тупым бороздам. Полив по полосам применяется при уклонах от 0,002 до 0,015 (не более 0,02). Ширина полос должна быть кратной захвату сельскохозяйственных орудий 210 (1,8; 3,6 м). Длина полос (от 75 до 300 м) делается тем больше, чем меньше уклон, а также проницаемость почвы и чем больше расход. Полив затоплением производится путем создания на поверхности почвы сплошного слоя воды. Этот способ имеет ряд серьезных недостатков и допускается только при промывке засоленных почв и при орошении риса. Полив по проточным бороздам осуществляется посредством движения воды небольшими струями по бороздам, так что вода поступает в почву (в борозды) главным образом капиллярным путем. Этот способ допускает применение междурядной обработки, обеспечивает хорошую аэрацию почвы и лучший микробиологический режим и применяется в основном для пропашных культур. Уклон борозд от 0,003 до 0,008, длина от 60 до 300 м. Полив по тупым бороздам применяют на землях с малым уклоном. Глубокие тупые борозды наполняются водой, которая во время ее стояния поглощается почвой. Этот способ обеспечивает получение малых поливных норм, высокий КПД, уменьшение потерь на испарение. Применяется при орошении пропашных культур (хлопка) и овощей. Уклон местности должен быть 0,001...0,002, длина борозд 40...80 м. Метод самотечного поверхностного полива применяется в нашей стране для увлажнения 50 % всех орошаемых земель. Однако он не отвечает по многим показателям требованиям механизированного сельскохозяйственного производства, так как имеет ряд недостатков, наиболее существенные из которых следующие: 1) низкая производительность и тяжелые условия труда при поливе; 2) необходимость производства большого объема дорогостоящих планировочных работ; 3) невозможность внесения оросительной нормы частыми поливами с малой поливной нормой; 4) вероятность заболачивания и засоления сельскохозяйственных угодий. Для повышения производительности труда поливальщика, улучшения условий и качества полива применяются различные приемы, приспособления и машины. Наиболее распространены простейшие средства механизации, гибкие и жесткие поливные трубопроводы и поливные машины. При механизированном поверхностном поливе благодаря строгому нормированию выпуска воды повышается равномерность орошения, представляется возможность регулирования нормы. Простейшие средства механизации распределения воды: поливные трубки, сифоны, щитки. Поливные трубки изготавливаются из пластмассы, листового железа и других материалов. Перед поливом их укладывают в валик поливной борозды или временного оросителя. Один поливальщик может обслуживать до 100 поливных борозд и управлять поливным током до 100 л, что повышает производительность в 1,5...2 раза. 211 Поливные сифоны целесообразно применять для подачи воды в борозды или полосы длиной не менее 200 м. В противном случае частая перестановка сифонов связана с большими трудозатратами. Обычно поливальщик обслуживает до 100 поливных сифонов и управляет расходом до 100 л. При этом производительность достигает 3...4 га за смену. Поливные щитки изготавливаются из листового железа с вырезом для выпуска воды и устанавливаются перед поливной бороздой с расположением водовыпускного отверстия на определенной высоте, чтобы напор над отверстием щитков был одинаков. Более совершенный способ распределения воды по бороздам реализуется с помощью передвижных поливных трубопроводов. Применяются жесткие, полужесткие и гибкие (шланги) трубопроводы. Жесткие поливные трубопроводы изготавливают из листовой стали, алюминия и его сплавов, пластмасс и других материалов. Такой трубопровод собирается из отдельных звеньев труб длиной 5 м, диаметром 100...300 мм. Гибкие поливные трубопроводы или шланги имеют ряд преимуществ в сравнении с жесткими благодаря возможности их компактной сборки и удобству транспортировки. Наибольшее распространение получили капроновые шланги из мелиоративной ткани (капроновый корд с двусторонним покрытием полиизобутиленом и наружным светоотражающим слоем). Поливные машины. Поливные машины делятся на 2 группы: работающие позиционно и в движении. В машинах, работающих позиционно, распределение воды по бороздам и полосам осуществляется посредством шлангов. Технология полива с помощью таких машин отличается от используемой в передвижных трубопроводах и шлангах тем, что механизирован процесс раскладки, сборки и перемещения шлангов с позиции на позицию. Поливные агрегаты различаются по принципу сборки шлангов. Поливные передвижные агрегаты ППА-165, ППА-165У и ППА-300 осуществляют намотку шлангов на барабан. Поливальщик ПШН-165 производит послойную укладку шланга в контейнер. Навесной поливной агрегат ПАН-165 использует дистанционную сборку шланга «гармошкой» на подвесном канате. На равнинных, безуклонных площадях при внесении больших поливных норм целесообразно применять поливные машины, работающие в движении. Один из наиболее разработанных вариантов такой машины — это агрегат на базе дождевального агрегата ДДА-100М, имеющего двухконсольную ферму, навешенную на трактор. 14.7. ОРОШЕНИЕ ДОЖДЕВАНИЕМ При орошении дождеванием вода подается на поле в виде дождя, создаваемого путем распыления ее специальными дождевальными аппаратами и 212 дождевальными машинами, забирающими воду из открытых каналов, закрытых трубопроводов или других источников. Орошение дождеванием имеет следующие достоинства: —применимость при сложном микрорельефе и допустимость менее тщательной планировки полей; —увлажнение не только почвы, но и растений, а также приземного слоя воздуха; —возможность сокращения длины оросительной сети на единицу орошаемой площади; —отсутствие препятствий перекрестной обработке сельскохозяйственных культур; —возможность осуществлять более частые поливы малыми нормами и производить освежающие поливы в жаркое время; —меньшая глубина промачивания почвы, что важно при орошении земель с близким залеганием грунтовых вод и засоленных почв; —сохранение структуры почвы при соответствующих агротребованиям характеристиках дождя; —возможность забора воды на орошение из каналов, идущих в выемке. К недостаткам орошения дождеванием относятся: — потребность в механической энергии для создания напора, необходимого для распыления воды, что удорожает эксплуатацию; — неравномерность полива при ветре. Характеристики искусственного дождя и предъявляемые к ним агротехнические требования. Слой осадков и интенсивность дождя. Под слоем осадков понимают глубину слоя воды, который образовался бы, если дождь выпадал бы на ровную непроницаемую поверхность, измеряется в миллиметрах с указанием интервала времени выпадения. Слой осадков за данный промежуток времени t, выпавший на площадь F, выразится так: hc = W/F, где W — выпавший объем воды, л/сут. Средняя интенсивность дождя рс выражает приращение слоя осадков в единицу времени: pc=hc/t, (14.6) где t — время, за которое выпали осадки слоем hс, мм. Для дождевальных машин ρс=Qм/FМ’. где QM — расход машины; FM — площадь одновременного «захвата» дождем. 213 При испытании машин средний слой осадков hc и среднюю интенсивность дождя ρс измеряют посредством дождемерных сосудов, расставляемых в определенном порядке на контрольной площадке, hс определяется осреднением данных всех дождемеров. Если рассматривать слой осадков для каждого дождемера в отдельности, площадь которого fд мала в сравнении с контрольной площадью F, то можно принять слой в данном дождемере за истинный слой h в данной точке площади F. Выпадение дождя в данной точке может быть неравномерным во времени, поэтому интенсивность ρо =h/t (14.8) будет представлять осредненное во времени значение интенсивности дождя в данной точке и называется осредненной интенсивностью. Поскольку интенсивность дождя в данной точке может меняться во времени, то выделяют действительную (истинную) интенсивность р, характеризующую приращение слоя дождя в конкретной точке в данный момент времени: ρ = dh/dt, (14.9) где dh — элементарное приращение слоя дождя в точке за элементарный промежуток времени dt. Равномерность распределения дождя по площади полива оценивают с помощью графиков распределения истинного слоя или осредненной интенсивности дождя. На основе экспериментальных данных по распределению осредненной интенсивности ρ0 по площади строят частотный график: р = f(pО). где р — число дождемеров с показаниями данной интенсивности. Одновременно р определяет площадь, политую дождем данной интенсивности, так как каждому дождемеру соответствует определенная поливаемая площадь. Оценка равномерности распределения проводится по значению среднеэффективной интенсивности ρcр.п. и коэффициенту эффективности полива Кэф п: К эф.п Fэф / F , (14.10) где Fэф — эффективно политая площадь; F — вся площадь. Эффективно политой считается площадь, которая полита с интенсивностью, укладывающейся в пределы ±25 % от ρср.эф. Здесь ±25 % — это допустимые пределы колебания средней нормы полива по агротехническим данным. Сред неэффективная интенсивность — это интенсивность, соответствующая наибольшему эффективному расходу, т. е. интенсивность, в пределах ±25 % отклонения от которой заключена наибольшая производительность машины. Следовательно, она должна соответствовать максимуму эффективного расхода. 214 Наряду с коэффициентом эффективного полива по графику р = f(p0) определяют коэффициенты недостаточного и избыточного полива: Кнед.п Fнед.п / F ; Kизб.п / F , (14.11) где Fнед..п и Fизб п — площадь, политая с интенсивностью соответственно ρ0 < 0,75ρср.эф и ρ0 < 1,25ρср.эф. Значения F определяют путем планиметрирования соответствующих площадей частного графика. Крупность капель. При распаде дождевальных струй образуется большое число капель, размеры которых изменяются в довольно широких пределах. Для оценки качества дождя необходимо уметь характеризовать степень дисперсности жидкости. Для почвы и растений наиболее благоприятны капли малого размера. Один из критериев дисперсности распада струи — средний размер капель, который дает некоторое упрощенное представление о степени дисперсности жидкости. Для характеристики искусственного дождя наибольший интерес представляют объемы капель, поэтому оценку в данном случае ведут по среднеобъемному диаметру капель, определяемому как среднекубическая величина n dc id i3 3 i 1 n , (14.12) где i — число капель данного диаметра di, п — общее число капель. По агротехническим требованиям dc должно быть не более 1,5 мм. Допустимые нормы полива при дождевании. В соответствии с агротехническими требованиями полив дождеванием должен проводиться без образования стока на поверхности почвы, начало которого может быть фиксировано визуально по образованию луж во впадинах. Для определения нормы полива до стока тд.с или времени дождевания t при безнапорном впитывании воспользуемся следующими зависимостями: mд.с Д t ; t A / пД , (14.13) где ρд — интенсивность дождя в данной точке; tδ — время полива до образования луж (начало стока), т. е. безнапорной инфильтрации, ч; Aδ — коэффициент впитывания, зависящий от типа почвы и характеристик дождя в данной точке; п — показатель степени, обусловленный типом почвы. 215 14.8. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН, УСТАНОВОК И НАСАДКОВ Классификация дождевальной техники. Дождевальную технику классифицируют по следующим признакам: по применяемым дождевальным насадкам, по способу перемещения агрегатов при поливе, по основным конструктивным признакам и др. Мы будем придерживаться классификации по основным конструктивным признакам, которые в значительной мере определяют и технологический процесс полива, и расчеты режимов работы. По этим признакам можно выделить следующие основные типы дождевальной техники. 1. Многоопорные широкозахватные дождевальные машины. 2. Дождевальные машины консольного типа. 3. Дальнеструйные дождевальные машины. 4. Дождевальные установки с разборным трубопроводом. 5. Стационарные дождевальные системы. Многоопорные широкозахватные дождевальные машины подразделяются по принципу передвижения и работы на следующие типы. 1. Машины с перемещением по кругу с поливом в движении. 2. Машины фронтального передвижения с позиционным поливом. 3. Машины фронтального передвижения с поливом в движении. К п е р в о м у типу относится дождевальная машина ДМ-100 «Фрегат». Она представляет собой водопроводящий трубопровод, расположенный на колесных опорах и снабженный дождевальными аппаратами. Полив происходит в движении при вращении трубопровода вокруг неподвижной опоры. «Фрегат» отличается высокой степенью автоматизации рабочего процесса и может применяться в различных почвенно-климатических зонах. Представитель в т о р о г о т и п а широкозахватных машин — комплексный дождевальный трубопровод ДКШ-64 «Волжанка». Машина состоит из двух дождевальных крыльев общей шириной захвата до 800 м. Она предназначена для полива дождеванием зерновых, овощебахчевых и других культур высотой до 1,1 м, а также многолетних трав, лугов и пастбищ на ровных участках с уклоном до 0,02. Для орошения высокостебельных культур создана многоопорная дождевальная машина позиционного полива и фронтального перемещения ДФ120 «Днепр». К т р е т ь е м у типу относится «Кубань» — электрифицированная дождевальная машина фронтального перемещения (ЭДМФ) с поливом в движении. Она и предназначена для полива зерновых, овощебахчевых и технических других (включая высокостебельные) культур, многолетних трав. 216 Машина представляет собой движущийся фронтально вдоль канала трубопровод, состоящий из двух дождевальных крыльев. Дождевальные машины консольного типа. Промышленностью выпускаются две модификации двухконсольных дождевальных агрегатов, монтируемых на тракторе ДМ-75МХ-С4: ДДА-100М, ДДА-100МА. В конструктивном отношении оба агрегата унифицированы, но последний более производительный и имеет ряд усовершенствований. Трактор служит самоходной опорой агрегата и источником энергии. Дальнеструйные дождевальные машины. Отечественная промышленность выпускает две машины этого типа — ДДН-70, ДДН-100. Дождевальные установки с разборным трубопроводом. Для орошения небольших по площади участков применяется комплект ирригационного оборудования КИ-50 «Радуга». Он включает прицепную насосную станцию и среднеструйную дождевальную переносную установку позиционного действия с гидроподкормщиком. КИ-50 позволяет быстро организовать полив различных участков без особых подготовительных и строительных работ. Стационарные дождевальные системы. Эти системы содержат стационарную насосную станцию и уложенные под землей напорные трубопроводы, подводящие воду от насосной станции на орошаемый участок. В определенных местах на трубопроводах располагаются гидранты, выходящие на поверхность земли. На них монтируют струйные дождевальные аппараты. Трубы обычно располагают ниже пахотного слоя. Стационарные дождевальные системы — это капитальные сооружения, требующие больших единовременных затрат и значительного количества труб, что ограничивает их широкое распространение. Однако такие системы весьма удобны при эксплуатации и дают возможность полностью автоматизировать полив и производить его без участия людей. Основные типы дождевальных насадков. Независимо от типа и конструкции дождевальной машины или дождевального устройства дождевальные насадки — непременная составная часть каждой из них. Они выполняют заключительную операцию технологического процесса распределения воды в виде дождя по орошаемой площади. От качества работы насадков зависит качество дождя, т.е. всего технологического процесса, выполняемого машиной. Известно много разных типов дождевальных насадков, характеризующихся различными принципами действия и конструктивным оформлением. Классификация их проводится по ряду признаков: 1) по дальности полета струи; коротко-, средне-, дальнеструйные; 2) по типу создаваемого потока: веерные и струйные. Веерные насадки создают широкий веерообразный поток в виде 217 тонкой пленки. Они работают неподвижно на позиции и одновременно орошают всю прилегающую к ней площадь. К веерным насадкам относятся дефлекторные и центробежные. Струйные насадки создают поток в виде одной или нескольких асимметричных струй. При поливе ствол насадка вращается вокруг вертикальной оси, благодаря чему обеспечиваются угловое перемещение струи и выпадение дождя на площади круга, прилегающего к данной позиции насадка, с радиусом, примерно равным дальности полета струи, называемым радиусом захвата. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Что такое круговорот воды в природе? 2. Назовите основные водоисточники для сельскохозяйственных нужд. 3. В чем заключается назначение мелиорации? 4. Какие Вы знаете виды мелиорации? 5. Что такое орошение и как оно осуществляется? 6. Что называется режимом орошения? 7. Перечислите средства механизации поверхностного полива. 8. С помощью чего осуществляется дождевание? 218 15. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ 15.1. ОСОБЕННОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ. СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ Сельскохозяйственное водоснабжение — это отрасль водного хозяйства, в задачи которой входит удовлетворение производственных и бытовых потребностей в воде объектов сельского хозяйства. Вода в данном секторе экономики расходуется на хозяйственно-питьевые нужды населения, на коммунальных предприятиях, животноводческих фермах, предприятиях по переработке сельскохозяйственной продукции, в ремонтных мастерских и на пожаротушение. Основные отличия сельскохозяйственного водоснабжения от коммунального и промышленного заключаются в рассредоточенности потребителей и сезонной цикличности производства. Сельское хозяйство ведется на обширных территориях, что обусловливает рассредоточенность населенных пунктов и различных водопотребителей по площади землепользования. Кроме того, водопотребители (люди, машины, животные), выполняя производственные операции (пахота, уборка, пастьба животных), перемещаются по территории. Все это увеличивает дальность транспортировки воды, усложняет системы водоснабжения и затрудняет их эксплуатацию. Растениеводство и животноводство тесно связаны с непрерывно изменяющимися агроклиматическими факторами, которые обусловливают цикличное чередование видов сельскохозяйственных работ. Эти обстоятельства приводят к неравномерной нагрузке систем водоснабжения, влияют на размещение сооружений, их типы, конструкции и на технико-экономические показатели. Система водоснабжения — это комплекс сооружений для получения воды из природных источников, ее очистки, транспортирования и подачи потребителям. Системы водоснабжения состоят из следующих видов водопроводных сооружений: водозаборных сооружений, с помощью которых осуществляется забор воды из природных источников; насосных станций, поднимающих воду из водозабора и подающих ее в водопроводную сеть или водонапорную башню; очистных сооружений, осуществляющих очистку природной воды в соответствии с требованиями потребителя; водопроводной сети, транспортирующей воду к потребителям; регулирующих и запасных емкостей для хранения воды. Водопроводом называется централизованная система водоснабжения, в 219 которой подача и распределение воды осуществляются по трубам. Все системы водоснабжения классифицируются по следующим признакам: - степени централизации (децентрализованная, централизованная и комбинированная системы); - виду природных источников (системы водоснабжения, получающие воду из поверхностных — рек, озер и морей и из подземных источников родниковых, артезианских, грунтовых вод, и смешанного питания); - способам подачи воды (самотечные системы — гравитационные, с механической подачей воды с помощью насосов и комбинированные). При децентрализованной системе водоснабжения каждый хозяйственный или производственный центр снабжения водой обособлен (вне зависимости от других объектов). На каждом центре устраивается локальный трубопровод, а для небольших водопотребителей — местные системы водоснабжения. При централизованной системе водоснабжения все сельскохозяйственные объекты получают воду по единой водопроводной системе. При комбинированной системе водоснабжения отдельные группы потребителей снабжаются водой централизованно с помощью групповых трубопроводов, а другие децентрализованно по локальным трубопроводам. В самотечных системах отметка места расположения водозабора превышает отметку территории водопотребителя, за счет этого напора (с учетом его потерь) вода транспортируется самотеком к потребителю. В механических системах напор создается с помощью насосов, и затем вода транспортируется потребителю. По надежности подачи воды системы водоснабжения делятся на 3 категории: 1-я — системы водоснабжения крупных предприятий и населенных пунктов с численностью более 50 тысяч жителей, где не допускаются перерывы в подаче воды; 2-я — системы водоснабжения промышленных предприятий и населенных пунктов с численностью менее 50 тысяч жителей, а также групповые сельскохозяйственные водопроводы; допускаются перерывы в подаче воды до 5 часов; 3-я — системы водоснабжения мелких промышленных предприятий и населенных пунктов с численностью до 500 жителей, где допускаются перерывы в подаче воды до суток. 15.2. НОРМЫ И РЕЖИМ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ Для проектирования систем водоснабжения нужно знать количество потребляемой воды и режим ее потребления. Суммарное водопотребление устанавливают по количеству потребителей (люди, животные, машины). Их 220 расчетное число в сельских населенных пунктах и хозяйственных центрах устанавливают на перспективу в течение 10...15 лет. Системы водоснабжения возводятся сразу или по очередям. В случае строительства по очередям необходимо установить количество водопотребителей на конец каждой очереди. Поскольку это число в отдельных хозяйственных центрах (пастбища, полевые станы, фермы) может изменяться по сезонам, то необходимо иметь сведения о составе водопотребителей в каждом сезоне. Для определения водопотребления перспективный организационнохозяйственный план, предусматривающий развитие хозяйства, является основным документом. Среднее (за год) суточное водопотребление каждой группы потребителей устанавливают по среднесуточным нормам согласно СНиП 2.04.02 — 84. В сельской местности общественные здания и коммунальные учреждения обслуживают обычно жителей нескольких населенных пунктов. В этих случаях учитывают дополнительные расходы воды на них, руководствуясь СНиПом. Нормы расхода воды животными зависят от условий их содержания и оборудования животноводческих помещений. При механизированном удалении навоза расход воды на одну голову увеличивают на 4... 10 л/сут в зависимости от способа удаления. Нормы потребления воды животными на пастбищах несколько меньше, чем при стойловом содержании, так как отпадает необходимость использовать ее при приготовлении корма, уборке помещений и т. д. На сезонных пастбищах при выборе норм водопотребления следует учитывать температуру воздуха, влажность, сочность травостоя и другие факторы. На промышленных предприятиях, кроме производственных нужд, необходимо иметь в виду хозяйственно-питьевые потребности в воде рабочих при норме на человека 25 л за смену в холодных и 40 л в горячих цехах. В сельском строительстве расход воды считают по удельным расходам на единицу объема строительных работ, например на приготовление 1 м3 бетона 2...2,5 м3 воды, на кладку 1 000 штук кирпича 0,11...0,12 м3 и т. д. Кроме регулярного обеспечения расхода воды на хозяйственно-питьевые нужды, при проектировании систем водоснабжения необходимо учесть расчетный расход воды на пожаротушение. В зависимости от размеров населенного пункта, плотности и характера его застройки устанавливают число возможных одновременных пожаров. Нормы расхода воды для пожаротушения принимаются по СНиП 2.04.02 — 84. Расчетную продолжительность пожара полагают равной 3 ч. Пожарный запас должен всегда храниться в резервуарах для чистой воды. Режим водопотребления в населенных пунктах в течение года изменяется под влиянием природных, социально-экономических, хозяйственных и технических факторов. Колебание суточного расхода воды зависит от погодных условий, режима работы предприятий, чередования рабочих, выходных и праздничных дней, проведения культурных и спортивных мероприятий, различных случайных 221 явлений. В течение суток часовые расходы воды могут быть различны. Это вызвано сменой дня и ночи, распорядком работы и случайными явлениями. Внутри каждого часа водопотребление также колеблется. Однако в расчетах эти колебания не принимают во внимание, полагая, что в течение часа водопотребление не изменяется. Для того чтобы система водоснабжения работала надежно, ее рассчитывают по максимальному суточному расходу Qcyт.max. Отклонение Qсут.max от среднесуточного характеризуется коэффициентом суточной неравномерности Кcyт.max, показывающим, во сколько раз расчетный расход Qcyт.max превышает среднесуточный Qcyт.ср. Иногда при расчете систем водоснабжения требуется знать Qсут.min. В этом случае вводят коэффициент неравномерности Ксут.min, показывающий, во сколько раз Qсут.min меньше Осут.ср. Для сельских населенных пунктов рекомендуется принимать Ксут.тах =1,3; К min = 0,7. Расчетный суточный расход определяют по следующим формулам: Qсут . max K сут . махQсут .ср ; Qсут . min K сут . minQсут .ср . (15.1) Средний часовой расход в сутки максимального водопотребления, м3/ч: Qч.ср Qсут . max / 24 K сут max Qсут .ср .24, (15.2) где Qcyт.ср — среднее суточное водопотребление, м3, определяемое суммой суточных расходов для различных групп водопотребителей: Qсут .ср q1 N1 q2 N 2 ... qn N n / 1000, (15.3) где q1, q2,…, qn - нормы водопотребления по группам, л/сут; N1, N2, ..., Nn — число потребителей по группам с одинаковыми нормами и режимом водопотребления. На среднечасовой расход воды рассчитывают водозаборы, очистные сооружения, насосные станции I подъема; на максимальный и минимальный часовой расход воды с учетом колебаний часовых расходов — водопроводные сети и водонапорные башни: Qч. max K ч. max Qсут . max / 24; Qч. min K ч. minQсут . min / 24 (15.4) где Кч max и Кч min — коэффициенты часовой неравномерности, показывающие, во сколько раз максимальный и минимальный часовой расход превышает среднечасовой, для сельских населенных пунктов их можно определить по 222 таким формулам: К ч. max max max ; К ч. min min min , (15.5) где коэффициент α зависит от благоустройства зданий, числа смен и других местных условий и принимается: αmax = 1,2...1,4; αmin = 0,4...0,6, коэффициент β выбирают согласно числу жителей: Число жителей, тыс. чел., до 0,5 1,0 2,5 4,0 6,0 10 20 βmax 2,5 2,0 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 βmin 0,05 0,1 0,1 0,2 0,25 0,4 0,5 Поскольку условно считают, что в течение часа расход воды остается постоянным, то расчетный секундный расход в час максимального и минимального водопотребления: qmax Qmax 1000 / 3600 Qч. max / 3,6; qmin Qч. min / 3,6. (15.6) Зная индивидуальные нормы водопотребления всех потребителей, можно определить секундный, часовой, суточный и годовой расход воды. 15.3. ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ВОДЫ И СПОСОБЫ ЕГО УЛУЧШЕНИЯ Природная вода содержит различные вещества в виде растворенных или механических примесей (растворенные — соли, окислы, газы; нерастворенные — минеральные и органические частицы и живые организмы в виде микробов, инфузорий, мельчайших водорослей). Примеси придают воде свойства, которые изменяются в зависимости от их состава и качества. Качество природной воды характеризуется совокупностью физических (температура, мутность, цветность, запах, привкус), химических (содержание и концентрация различных химических веществ) и бактериологических свойств. В зависимости от назначения воды к ее качеству предъявляют различные требования, согласно которым ее можно разделить на используемую для хозяйственно-питьевых целей, для коммунальных предприятий и для нужд сельского хозяйства. Вода для хозяйственно-питьевых целей должна быть безвредна для здоровья человека, иметь хорошие органолептические свойства (ощущаемые нашими органами чувств) и быть пригодной для использования в быту. Качество этой воды определяется ГОСТ 2874 — 82 «Вода питьевая». 223 Температура воды природных источников колеблется в широких пределах — от 0 до 250 С. Оптимальная температура воды для хозяйственнобытовых целей 8...12°С; для водопоя сельскохозяйственных животных — 7...15°С (при использовании воды температурой меньше 7°С у животных возникают заболевания, понижается продуктивность и т. д.). Мутность воды зависит от содержания в ней взвешенных частиц (песка, глины), илистых частиц органического происхождения, водорослей. Данный показатель измеряют в миллиграммах сухого вещества, содержащегося в 1 л воды (мг/л). По мутности природные источники подразделяют на маломутные (примесей до 50 мг/л); средней мутности (50...250 мг/л); мутные (250...2 500 мг/л); высокомутные (более 2 500 мг/л). Мутность воды поверхностных природных источников достигает десятков тысяч миллиграмм на литр, подземных источников — незначительна. Стандартом на питьевую воду допускается мутность до 1,5 мг/л. Цветность, т. е. окраска, воды объясняется наличием в ней гумусовых веществ и определяется путем сравнения исследуемой воды с эталонами искусственно подкрашенной. В качестве эталонов берут водные растворы разной концентрации невыцветающих солей платины и кобальта. Цветность выражается в градусах платинокобальтовой шкалы, имеющей 500 делений. По интенсивности окраски природные воды можно разделить на малоцветные (до 35°) и цветные (более 35°). Цветность питьевой воды, подаваемой водопроводом, по стандарту не должна превышать 20°, в отдельных случаях допускается до 35°. Запах и привкус воды природных источников обусловливаются наличием в ней различных растворенных минеральных солей, газов, органических веществ и микроорганизмов. Оценивают их при t = 20°С по пятибалльной шкале. Так, слабый запах и привкус, не поддающийся обнаружению потребителем, оцениваются в 1 балл. Далее с появлением запаха и привкуса число баллов увеличивается. Питьевая вода по стандарту при t = 20°С и при подогревании ее до 60 °С не должна иметь характеристики запаха более 2 баллов и привкуса при 20 0С — не более 2 баллов. Химические свойства воды определяются активной реакцией, жесткостью, сухим остатком, окисляемостью, содержанием железа, марганца, фтора, хлоридов и сульфатов, меди, цинка и т. д. Активная реакция воды (водородный показатель рН) характернее зует ее кислотность или щелочность, по которой судят об агрессивности воды (при рН < 7 среда кислая, при рН = 7 — нейтральная, при рН > 7 — щелочная). Знание значения рН воды источника в различные периоды года дает правильную оценку ее качества и позволяет верно выбрать метод очистки. Для питьевой воды значение рН должно быть в пределах 6,5...8,5, большинство природных источником соответствует этому требованию. 224 Жесткость воды обусловливается количеством растворенных в ней солей кальция и магния. Различают карбонатную (временную) жесткость, которая характеризуется наличием двууглекислых солей кальция и магния, и некарбонатную (постоянную), в которой имеются сульфаты, хлориды, нитраты и другие соли. Карбонатные соли при кипячении разлагаются, переходят в нерастворимые соединения и выпадают в виде рыхлых осадков. Некарбонатные соли при выпаривании образуют плотную твердую накипь. Суммарную жесткость воды (карбонатную и некарбонатную) называют общей жесткостью. Жесткость воды измеряют в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг.экв/л). Вода разных источников имеет различную жесткость. Для питья используется жесткая вода, так как наличие солей в ней не ухудшает ее вкусовые качества и не вредно для здоровья. При применении в хозяйственных целях вода с большой жесткостью вызывает ряд неудобств: образуется накипь на стенках котлов, увеличивается расход мыла при стирке, медленно развариваются мясо и овощи. Поэтому общая жесткость воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения не должна превышать 7 мг.экв/л. Для водопоя скота допускается 10...40 мг.экв/л. Сухой остаток характеризует общее количество веществ (кроме газов), содержащихся в воде в растворенном состоянии. Определяется он как остаток от выпаривания профильтрованной воды и высушивания его до постоянной массы. В воде, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения, сухой остаток не должен превышать 1 000 мг/л. Щелочность воды обусловливается присутствием в ней гидратов, карбонатов, бикарбонатов и солей слабых кислот. Различают щелочность соответственно гидратную, карбонатную, бикарбонатную, силикатную и т. д. Она, как и жесткость, выражается в миллиграмм-эквивалентах на литр. Содержание в питьевой воде других химических веществ не должно превышать следующих норм, мг-экв/л: железо — 0,3; марганец — 0,1; медь — 1; цинк — 5; фтор — 1,5; бериллий — 0,0002; молибден — 0,25; мышьяк — 0,05; свинец — 0,03; селен — 0,001; стронций — 2 и т. д. Бактериальная загрязненность воды характеризуется общим числом бактерий в 1 мм воды, а также содержанием в 1 л воды кишечных, палочек (колииндекс). Большинство бактерий в природной воде безвредны для человека, но в ней могут находиться и болезнетворные. Согласно стандарту на питьевую воду допускается общее число кишечных палочек в 1 л не более 3. Если природная вода для хозяйственно-питьевых целей не отвечает этим требованиям, ее подвергают обработке. Основные способы улучшения качества такой воды: осветление, обесцвечивание, обеззараживание, обезжелезивание, фторирование, дезодорация, умягчение, опреснение. Осветление воды - удаление взвешенных примесей и уменьшение мутности. Достигается отстаиванием в отстойниках, фильтрованием через сетки в 225 микрофильтрах, барабанных ситах, акустических фильтрах, через слой фильтрующего порошка на намывных фильтрах или через слой фильтрующего материала в скорых фильтрах и центрифугированием в гидроциклонах. Для ускорения процесса осветления воды применяют коагулирование. С этой целью в нее добавляют различные химические реагенты-коагуляторы, способствующие связыванию частиц, обусловливающих мутность, в крупные хлопья, что ускоряет их выпадение в осадок в отстойниках. Обесцвечивание воды — устранение растворенных веществ или окрашенных коллоидов — может быть достигнуто коагулированием или применением различных окислителей (хлора, озона и др.) и сорбентов (активного угля). Обеззараживание производят для уничтожения болезнетворных бактерий и вирусов путем введения в воду после фильтрования окислителей: хлора и его производных, озона и перманганата калия. Обезжелезивание воды — снижение содержания солей железа до требований ГОСТа может быть достигнуто применением реагентных и безреагентных методов. Фторирование осуществляют путем внесения в воду фторосодержащего реагента (для предотвращения заболевания кариесом зубов). Дезодорация — удаление нежелательных запахов и привкусов путем аэрации, введения окислителей и сорбентов. Умягчение — удаление солей жесткости путем введения щелочных реагентов, которые вызывают выпадение в осадке солей жесткости. Опреснение — снижение общей минерализации воды. Рис. 15.1. Технологическая схема с отстойниками: 1 – насосная станция I подъёма; 2 – барабанные сетки; 3 – реагентное хозяйство; 4 – перегородчатый смеситель; 5 – вихревая камера хлопьеобразования; 6 – отстойник; 7 – ввод реагентов для дезодорации и фторирования; 8 – скорый фильтр; 9 – установка для обеззараживания воды; 10 – резервуар чистой воды; 11 – насосная станция II подъёма Рассмотрим наиболее распространенные технологические схемы улучшения качества воды, представляющие собой сочетание необходимых технологических процессов и сооружений. Наиболее часто применяемая как в нашей стране, так и за рубежом основная технологическая схема улучшения качества воды представлена на рисунке 226 15.1. Рис. 15.2. Технологическая схема с медленными фильтрами: 1 – насосная станция I подъёма; 2 – предварительный скорый фильтр; 3 – медленный фильтр; 4 – резервуар чистой воды; 5 – насосная станция II подъёма Эта схема применима при любой производительности и любом качестве воды. Природная вода с помощью насосной станции I подъема подается на барабанные сетки для извлечения из воды крупных плавающих, взвесей, затем — в смеситель, куда вводится коагулянт. Заготовка и дозирование реагента осуществляются в реагентном хозяйстве при помощи специальной аппаратуры. После смешения воды с реагентом смесь попадает в камеру хлопьеобразования, встроенную в отстойник, где происходит процесс коагулирования примесей воды и выпадения в осадок хлопьев в отстойнике (горизонтального или вертикального типа). По мере движения воды в скорый фильтр в нее вводятся при необходимости реагенты для дезодорации и фторирования, растворы и суспензии которых приготовляются на специальных установках. Фильтрованием заканчивается осветление и обесцвечивание воды. Далее вода подвергается обеззараживанию и аккумулируется в резервуарах в сети водопотребителя. При обработке воды для технических целей надобность в дезодорации, фторировании и обеззараживании ее отпадает. На рисунке 15.2 представлена безреагентная технологическая схема улучшения качества воды с медленными фильтрами без удаления песка при регенерации. Здесь обрабатываемая вода проходит сначала скорый фильтр со скоростью фильтрования 2...3 м/ч, затем медленный фильтр и поступает в резервуар чистой воды, откуда насосными станциями II подъема подается в сеть потребителя. Эта технологическая схема отличается конструктивной простотой и надежностью эксплуатации, но требует больших площадей под сооружения и имеет ограничения как по качеству воды, так и по производительности. 227 15.4. ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ Водозаборы. Водозаборное сооружение, водозабор — гидротехническое сооружение, предназначенное для забора воды из источника водоснабжения. Основное требование к водозабору — бесперебойное обеспечение водой соответствующего качества снабжаемого объекта в нужном количестве. Эти сооружения должны учитывать особенности и свойства используемых природных источников. В зависимости от последних могут быть разделены на 2 группы — для забора поверхностных (береговые, русловые) и подземных вод (трубчатые и шахтные колодцы, горизонтальные и лучевые водозаборы и каптажи родников). Выбор типа и конструкции водозабора зависит от топографических и физикогеографических условий районов (климат, рельеф), гидрологических и гидрогеологических особенностей источников водоснабжения (связь водоносных пластов друг с другом и с поверхностными водами, область и источник питания, мощность источника питания, качество воды), возможности использования местных строительных материалов, организации зоны санитарной охраны. От выбора месторасположения водозабора в значительной степени зависит надежная и бесперебойная его работа. При этом необходимо пользоваться следующими рекомендациями: - месторасположение водозабора должно быть по возможности ближе к потребителю; - размещение водозабора не должно противоречить интересам других водопотребителей и перспективным водохозяйственным мероприятиям на водоисточнике; - топографические, гидрологические, геологические и гидрогеологические условия должны быть подходящими для строительства и эксплуатации водозабора; - решения должны быть простые и экономичные. Рассмотрим водозаборные сооружения для забора воды из поверхностных источников. На реках применяют два типа водозаборов: береговые и русловые, которые различаются расположением водоприемного сооружения относительно берега (рис. 15.1). У водозаборов берегового типа водоприемник совмещается с береговым колодцем, и его водоприемные отверстия всегда доступны для обслуживания, что гарантирует их бесперебойную работу. Береговые водозаборы по конструкции бывают раздельные и совмещенные с насосной станцией. Раздельные сооружают на слабых грунтах берега и при неблагоприятных топографических условиях. Совмещенные с насосной станцией береговые водозаборы делают при прочных грунтах. Такое совмещение значительно упрощает обслуживание водозабора, повышает надежность его работы, позволяет использовать насосы с малой высотой всасывания и значительной амплитудой 228 колебания уровня воды в реке. Русловый водозабор состоит из оголовка (водоприемного устройства), самотечных или сифонных водоводов, водоприемно-сетчатого колодца и насосной станции I подъема. В зависимости от расположения двух последних элементов, русловые водозаборы бывают раздельной и совмещенной компоновки. Рассмотрим водозаборные сооружения для подземных источников. Большинство централизованных систем сельскохозяйственного водоснабжения используют подземные воды, которые особенно ценны для хозяйственнопитьевого водоснабжения, так как обладают высокими санитарными качествами. В зависимости от мощности (толщины) водоносного пласта и глубины его залегания, водообильности, гидравлических характеристик подземного потока для забора подземных вод устраивают следующие водоприемные сооружения: водозаборные скважины, шахтные колодцы, горизонтальные водозаборы, лучевые водозаборы и каптажи родников. Рис. 15.3. Речные водозаборы: а – береговой раздельный; б – береговой совмещённый; в – русловый: 1 – водозаборный колодец; 2 – окна; 3 – сетка; 4 – галерея; 5 – насосная станция; 6 – оголовок; 7 – самотечные линии Рис. 15.4. Трубчатый колодец: 1 – колонна труб; 2 – фильтр; 3 – водоносный пласт; 4 – водонепроницаемый слой 229 Водозаборные скважины, или трубчатые буровые колодцы, применяют при относительно глубоком залегании водоносных пластов (более 10 м) и значительной их мощности (более 5...6 м) и устраивают как в напорных, так и безнапорных водоносных пластах. Трубчатые колодцы — наиболее распространенный вид сооружений для забора подземных вод. Они представляют собой пробуренные в земной коре скважины глубиной от 10 до 1 000 м (чаще всего 100... 150 м) и диаметром от 75 до 500 мм. Фильтр — основная часть трубчатого колодца, т. к. от его конструкции зависят условия и длительность эксплуатации колодца. Конструкцию и размеры фильтра выбирают в зависимости от различных условий: гидрогеологических, режима эксплуатации скважины, глубины скважины, агрессивности воды, дебита и т. д. Фильтры бывают дырчатые (круглые или щелеобразные отверстия в стенках каркаса), сетчатые (фильтровальные сетки из латунной, медной, стальной проволоки, накладываемые на внешнюю боковую поверхность каркаса), щелевые, гравийные, проволочные, каркасно-стержневые и пористые. Надфильтровая труба должна быть выше башмака обсадной колонны не менее чем на 3 м при глубине скважины до 30 м и не менее чем на 5 м — при глубине скважины более 30 м. Отстойник обычно устраивают в виде глухой трубы длиной до 2 Рис. 15.5. Шахтный колодец: 1 – донный фильтр; 2 – оголовок; 3 м. При расчете трубчатых колодцев – глиняный замок; 4 - отмостка обычно по заданному расходу забираемой воды оп- ределяют число колодцев, размеры фильтров и расстояние между колодцами. Шахтные колодцы широко применяют в первых от поверхности безнапорных водоносных пластах, сложенных рыхлыми породами и залегающих на глубине 30 м. При мощности водоносного пласта до 3 м строят шахтные колодцы совершенного типа с вскрытием всей мощности пласта. При мощности водоносного пласта больше 3 м допускается строительство совершенных и несовершенных шахтных колодцев со вскрытием части пласта. Принципиальная схема шахтного колодца показана на рисунке 15.5. Вода поступает в колодец из безнапорного водоносного пласта через боковые отверстия и дно (если колодец несовершенного типа). 230 При расположении водоприемной части в песчаных грунтах на дне колодца предусматривается обратный песчано-гравийный фильтр или фильтр из пористого бетона, а в стенках водоприемной части колодцев — фильтры из пористого бетона или гравийные. Обратный фильтр устраивается из нескольких слоев песка и гравия толщиной 0,1 ... 0,15 м каждый, общей толщиной 0,4 ... 0,6 м с укладкой в нижнюю часть фильтра мелких, а в верхнюю — крупных фракций. Вода из шахтных колодцев в основном поднимается насосами, которые иногда оказывается возможным разместить в самих колодцах. Диаметр шахтного колодца не превышает 3 ... 4 м. При проектировании шахтного колодца следует иметь в виду, что слой воды в нем должен быть не менее 1 ... 2 м. В зависимости от материала крепления стенок шахтные колодцы бывают бетонными, железобетонными, кирпичными, каменными (из бутового камня) и деревянными (ряжевыми). При небольшом диаметре колодцев их выполняют сборными из железобетонных колец. Рис. 15.6. Горизонтальный водозабор: 1 – водозаборная галерея; 2 – водоприёмные отверстия; 3 – смотровые колодцы; 4 – водосборный колодец; 5 – водоподъёмные трубы Горизонтальные водозаборы представляют собой дренажи разных типов или водосборные галереи, укладываемые на подстилающем водоупоре в пределах безнапорного водоносного пласта на глубину до 8 м (см. рис.15.6). Они могут быть устроены в виде каменно-щебеночной дрены, трубчатой дрены, водосборной галереи и водосборной штольни. 231 Для исключения выноса частиц грунта из водоносного пласта в водоприемной части горизонтального водозабора предусматривают обратный 2 ... 3-слойный фильтр с толщиной отдельных слоев не менее 15 см. Водозаборы устраивают перпендикулярно к направлению движения грунтового потока и с некоторым уклоном. Вода поступает из грунта в дренажные трубы через отверстия диаметром 10...20 мм и стекает в водосборный колодец, расположенный в средней части галереи. Из сборного колодца вода на поверхность земли подается насосами. В случае длинных водозаборов через каждые 20 ... 50 м устраивают смотровые колодцы, которые служат для осмотоа галереи, вентиляции ее, очистки водозаборов и т.д. Лучевые водозаборы — это разновидность шахтных колодцев, и представляют они собой сборный колодец (шахту) с горизонтальными трубчатыми дренами (лучами), Рис. 15.7. Лучевой водозабор: расположенными радикально в 1 – водосборный колодец; 2 – погружной водоносном пласте (см. рис.15.7). насос; 3 – глухая часть лучевых дрен; 4 – перфорированные стальные трубы. Лучевые водозаборы устраиваются в водоносных пластах, кровля которых расположена от поверхности земли на глубине не более 15 ... 20 м. В неоднородных и мощных однородных водоносных пластах применяются многоярусные лучевые водозаборы с лучами, расположенными на разных отметках. Лучи длиной 60 м и более выполняются телескопической конструкции с уменьшением диаметра труб. При длине лучей меньше 30 м в однородных водоносных грунтах угол между лучами должен быть не менее 30°. Водоприемные лучи выполняются из стальных перфорированных или щелевых труб со скважностью не более 20%. В водосборных колодцах на водоприемных лучах следует предусматривать установку задвижек. Каптаж родников — процесс сбора родниковой (ключевой) воды с помощью водозаборных сооружений (см. рис. 15.8). Родники (ключи) представляют собой естественный выход подземных вод на поверхность. Высокие санитарные качества родниковой воды и простые способы ее получения (устройство резервуара или шахты над местом выхода родниковой воды) привели к широкому ее применению для целей питьевого водоснабжения не только мелких населенных пунктов, но и даже ряда крупных городов. Рис. 15.8. Каптаж родников: 1 – водоприёмная камера; 2 – люк смотровой камеры; 3 – глухая часть лучевых дрен; 4 – перфорированные трубы. 232 Основной элемент каптажного водозаборного сооружения — каптажная камера (водосборная камера или неглубокий опускной колодец). Забор воды из восходящего родника осуществляется через дно каптажной камеры, из нисходящего — через отверстия в стенке камеры. При каптаже родников из трещиноватых пород прием воды в каптажной камере может осуществляться без фильтров, а из рыхлых пород — через обратные фильтры. Каптажные камеры должны быть защищены от поверхностных загрязнений, промерзания и затопления поверхностными водами. Каптажную камеру следует разделять переливной стенкой на два отделения: одно — для отстаивания воды с последующей очисткой его от осадка, второе — для забора воды насосами. Каптаж родников — процесс сбора родниковой (ключевой) воды с помощью водозаборных сооружений. Родники (ключи) представляют собой естественный выход вод на поверхность. Высокие санитарные качества родниковой воды и простые способы ее получения привели к широкому ее применению для целей питьевого водоснабжения. Основной элемент каптажных родников — каптажная камера (водосборная камера или неглубокий опускной колодец). Забор воды из восходящего родника осуществляется через дно каптажной камеры, из нисходящего — через отверстия в стене камеры. 15. 5. ВОДОПРОВОДНЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ Водопроводные насосные станции — комплекс гидротехнических сооружений и оборудования, предназначенный для забора воды и подачи ее в напорный резервуар или распределительную сеть. К гидротехническим сооружениям насосных станций относятся: здание насосной станции, водоприемные колодцы с самотечными трубами, водоприемные ковши, дамбы и берегоукрепления. В состав гидротехнического и энергетического оборудования входят насосы и двигатели для них, пусковая аппаратура для двигателей, всасывающие и нагнетательные трубопроводы, вспомогательное оборудование (контрольно-измерительная и предохранительная аппаратура, водомеры, вакуум-насосы и т. д.). Классификация водопроводных насосных станций. 1. По расположению в схеме водоснабжения водонапорные насосные станции бывают I и II подъема. Насосные станции I подъема осуществляют забор воды из источника водоснабжения, насосы подают ее в очистные сооружения или непосредственно в распределительную сеть (если не требуется очистка). Высота подъема на таких станциях - 10... 15 м. Насосные станции II подъема подают очищенную воду из резервуара чистой воды в водонапорную башню или в водопроводную распределительную сеть. 233 2. В зависимости от уровня воды в источниках водопроводные насосные станции подразделяются на наземные, заглубленные и шахтные (глубокие). Наземные используются для забора поверхностных вод (из рек, озер, водохранилищ и т. д.), заглубленные и глубокие — подземных. 3. По характеру управления насосные станции могут быть автоматические, полуавтоматические и с ручным управлением. 4. По степени обеспеченности подачи воды насосные станции разделяются на три категории: I, II, III. Выбор типа насосов и количества рабочих агрегатов производится на основании расчетов совместной работы насосов, водоводов, сетей, регулирующих емкостей, суточного и часового графиков водопотребления, условий пожаротушения и очередности ввода в действие объекта. Количество всасывающих линий к насосным станциям независимо от числа и групп установленных насосов, включая, пожарные, должно быть не менее двух; напорных линий от насосных станций I и II категорий — не менее двух, III категории — допускается устройство одной напорной линии. Диаметр труб, фасонных частей и арматуры следует принимать на основании техникоэкономического расчета исходя из скорости движения воды в определенных пределах (справочные данные). Размещение насосов и оборудования в здании насосных станций зависит от характера водоисточника и насосного оборудования, от их обслуживания и эксплуатации и должно обеспечивать надежность их действия, удобство и безопасность обслуживания. При подаче воды в очистные сооружения производительность на станции I подъема определяется по формуле Q = αWcyr тах/T, (14.7) где α - коэффициент, учитывающий расход воды на эксплуатационные нужды (1,025...1,08); Wсут.max — максимальный суточный объем воды, расходуемый на хозяйственно-питьевые нужды и пожаротушение; Т — число секунд в сутках (86 400). Полный напор определяется по зависимости H hвс hнаг hпот.вс hпот.наг , (14.8) где hвс, hнаг — соответственно высота всасывания и нагнетания; hпот вс, hпот.наг соответственно потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах (линиях). При подаче воды в промежуточный резервуар производительность насосной станции I подъема Q = Wcут.max/T. (14.9) Производительность насосной станции II подъема определяется в зависимости от графика водопотребления: 234 Q = 4,17Wcyт.max/100. (14.10) 15.6. НАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЕ СООРУЖЕНИЯ Напорно-регулирующие сооружения обеспечивают равномерную работу насосной станции за счет аккумулирующих емкостей, повышают надежность системы водоснабжения и способствуют обеспечению ее бесперебойной работы. Они позволяют уменьшить диаметр и стоимость выводов и магистралей аспределительной сети. Напорно-регулирующие сооружения классифицируются по следующим признакам: по назначению — регулирующие, запасные и запасно-регулирующие; по конструкции — водонапорные башни, резервуары и гидро-пневматические установки (воздушно-водяные); по способу подачи воды в сеть — активные (напорные), обеспечивающие необходимый напор для подачи воды, и пассивные (безнапорные), из которых вода забирается насосами. Рис. 15.9. Водонапорная башня А.А.Рожновского: 1 – напорно-разводная труба; 2 – сливная труба; 3 – анкерные болты; 4 – фундамент; 5 – земляная насыпь; 6 – колонна; 7 – наружняя лестница; 8 – внутренняя лестница; 9 – люк; 10 – вентиляционная труба; 11 – крышка бака; 12 – льдодержатели; 13 – бак; 14 – смотровой колодец; 15 – задвижка. Водонапорные башни. К ним относятся напорные сооружения, у которых бак расположен на искусственной опоре и возвышается над поверхностью земли. Такие сооружения используют, если невозможно разместить напорный резервуар из-за топографических условий местности. В схеме водоснабжаемого объекта водонапорные башни могут располагаться в начале, внутри и в конце распределительной сети. Водонапорная башня состоит из бака, опорной конструкции (ствола) и шатра. В зависимости от вида применяемого материала водонапорные башни бывают кирпичными, железобетонными, металлическими (стальными) и т. д. 235 Баки водонапорных башен из железобетона или металла, иногда для временного водоснабжения — из дерева. Форма баков бывает различной. Наиболее широкое распространение получили цилиндрические баки с днищем плоской, конической, сферической и эллиптической форм. Форма бака определяется видом применяемого материала, конструкцией и архитектурными и экономическими соображениями. Оптимальное отношение высоты цилиндрической части бака к его диаметру от 0,6 до 1. При высоких баках и малых их диаметрах увеличиваются колебания напора в сети и затраты электроэнергии, хотя уменьшаются размеры опорных конструкций. Шатер предохраняет бак от замерзания, а также от загрязнения. Его выполняют из легких материалов, обладающих малой теплопроводностью. К баку с верхней стороны присоединяется подводящий, в центральной части — отводящий трубопроводы. Резервуары. В системах водоснабжения применяют напорно-регулирующие резервуары. Они классифицируются по следующим признакам: —по назначению — запасные, регулирующие, запасно-регулирующие; —по высоте расположения — напорные и безнапорные; —по форме в плане — круглые и прямоугольные; —по степени заглубления — незаглубленные, полузаглубленные, заглубленные. Рис. 15.10. Подземный резервуар: 1 – приямок; 2 – регулирующая ёмкость; 3 0 резервуар; 4 – вентиляционная труба; 5 – лаз; 6 – смотровой колодец Запасные емкости предназначены для обеспечения надежности работы водоснабжения; регулирующие служат для обеспечения равномерной работы насосной станции; запасно-регулирующие выполняют обе указанные функции. Напорные емкости применяются для создания требуемого свободного напора в водопроводной сети с учетом рельефа местности; безнапорные — при насосной станции. 236 Формы и конструкции резервуаров различны. При вместимости до 3 000 м3 их строят из железобетона круглой формы в плане, более 3 000 м3 — прямоугольной. Гидропневматические установки применяют для регулирования подачи воды в зданиях, а также вместо водонапорных башен. Установка представляет собой воздушно-водяной котел, заполненный в нижней части регулирующим объемом воды, а в верхней — сжатым воздухом. Требуемый напор воды создается давлением сжатого воздуха. Гидропневматические установки широко применяются при водоснабжении животноводческих ферм и отдельных зданий. 15.7. ВОДОПРОВОДНЫЕ СЕТИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ ПОДЪЕМА ВОДЫ Водопроводная сеть — один из основных, дорогостоящих и ответственных элементов системы водоснабжения — представляет собой совокупность водопроводных линий (трубопроводов) для подачи воды к местам потребления. Она состоит из водоводов, магистральной сети и распределительных трубопроводов. Водоводы предназначены для транспортировки воды от источника водоснабжения к очистным сооружениям и от резервуаров чистой воды к магистральной сети. Магистральную сеть используют для транзитного транспортирования воды. Распределительная сеть применяется для передачи воды из магистральной сети к потребителям. Для управления движением воды и обеспечения надежности работы водопроводной сети в ней используют различную водопроводную арматуру: запорно-регулирующую (задвижки, затворы, вентили), предохранительную (предохранительные клапаны, компенсаторы, воздушные вантузы и т. д.) и водоразборную (водоразборные колонки и пожарные гидранты). Для изменения направления и диаметра трубопровода и устройства ответвлений применяют фасонные части. По степени ответственности трубопроводы подразделяются на три класса (I, II, III). По начертанию в плане распределительная сеть бывает тупиковой (разветвленной), кольцевой (замкнутой) и комбинированной. Водопроводные сети прокладывают из чугунных, стальных, асбестоцементных, железобетонных, полиэтиленовых, пластмассовых и других труб. Водоструйные установки применяют трех видов: гидроэлеваторы, в которых рабочая среда — вода; эжекторы, в которых подъем жидкости осуществляется за счет энергии газа, выходящего из насадки; инжекторы, в которых подъем жидкости происходит под давлением пара. Водоструйная установка состоит из центробежного насоса и струйного аппарата. Принцип работы гидроэлеватора основан на увеличении всасывающей способности центробежного насоса за счет действия струйного аппарата. 237 Принцип работы гидроэлеватора основан на увеличении всасывающей способности центробежного насоса за счет действия струйного аппарата. Вода с помощью центробежного насоса подается к соплу струйного аппарата, из которого она выходит с большой скоростью, образуя зону пониженного давления (разрежение), благодаря чему вода по всасывающей трубе поднимается в камеру смешения и подходит к диффузору, где происходит турбулентное смешение потоков Поднятая вода уносится рабочей струей в напорную трубу. Выходя из центробежного насоса, вода разделяется на две части: одна часть идет на работу струйного аппарата, другая — потребителю. Таким образом, часть воды постоянно циркулирует и процесс подъема воды осуществляется непрерывно. Обычно объем рабочей жидкости в 1,5 ... 3 раза больше объема постоянно перекачиваемой жидкости. Центробежные насосы, применяемые в водоструйных установках, конструктивно не отличаются от серийных насосов. Водоструйные установки обладают хорошей способностью самовсасывания, высокой эксплуатационной надежностью и простотой конструкции, поэтому во многих странах мира они нашли широкое применение. Эрлифты применяют для подъема воды из неглубоких трубчатых и шахтных колодцев. Действие эрлифтов основано на принципе использования разности плотности воды и водо- Рис. 15.12. Эрлифт: 1 – приёмный бак с отражателем:; 2 – ресивер; 3 – компрессор; 4 и 5 – соответственно воздушная и водоподъёмная трубы; 6 – водовоздушная эмульсия; 7 – форсунка; 8 – кривая депрессия; 9 – трубопровод для отвода воды в сборный резервуар. Рис. 15.11 Водоструйная установка: 1 – центробежный насос; 2 – водоподъёмная труба; 3 – напорная труба; 4 – струйный аппарат воздушной смеси. Эрлифт состоит из двух колонн труб, которые опускаются в колодец. Одна колонна труб называется 238 воздушной и предназначена для подачи воздуха от компрессора к другой— водоподъемной трубе. По водоподъемной трубе после смешения в форсунке воды и воздуха водо-воздушная смесь, поднимается и изливается в приемный бачок (см. рис. 15.12). Форсунка для впуска воздуха представляет собой участок трубы со сверлеными отверстиями диаметром от 4 до 6 мм, причем площадь отверстий форсунки в 2...3 раза больше площади сечения воздуховода. К достоинствам эрлифта можно отнести: простоту устройства, высокую надежность в эксплуатации, возможность подъема воды из искривленных и пескующих скважин и т. д. Ленточные и шнуровые водоподъемники широко используют для подъема воды из шахтных колодцев. Основной рабочий орган — гибкая лента, шнур из прорезиненных или других упругих и эластичных материалов, натянутые между ведущим шкивом и роликом натяжного устройства. При быстром вращении лента (шнур), «пробегая» под водой, смачивается и захватывает воду, которая в виде пленки выносится на поверхность. Ввиду большой скорости движения ленты (шнура) вода удерживается на ней (нем) и не стекает в колодец. Рис. 5.13. Ленточный Гидравлические тараны работают за водоподъёмник: 1 – рама; счет энергии гидравлического удара. Они 2 – ведущий шкив; 3 – кожух; 4 – приводной ремень; 5 – двигатель; 6 просты по конструкции и надежны в работе, – натяжное устройство; 7 – рабочая поэтому широко применяются в пастбищном и лента; 8 – штуцер для слива воды полевом водоснабжении. Гидравлический таран (см. рис. 15.14) состоит из резервуара, питающего трубопровода, рабочей камеры с ударным и нагнетательным клапанами, воздушного колпака и нагнетательного трубопровода. 239 Рис. 15.14. Гидравлический таран: 1 – питательная труба; 2 – ударный клапан; 3 – нагнетательный клапан; 4 – воздушный клапан; 5 – нагнетательная труба Таран устанавливают на более низкой отметке, чем резервуар с водой, я длину подводящего трубопровода выбирают из того условия, чтобы в нем могла образоваться ударная волна достаточной продолжительности и силы. Работа гидравлического тарана заключается в следующем. Когда открыт ударный клапан, вода по питательной трубе через клапан устремляется наружу с возрастающей скоростью. В тот момент, когда давление скоростного напора воды на ударный клапан превысит его массу, клапан мгновенно закроется, возникает гидравлический удар в питающем трубопроводе, давление в камере резко возрастет. В это время открывается нагнетательный клапан, и вода под давлением положительной волны гидравлического удара устремляется в воздушный колпак и в нагнетательный трубопровод. Когда ударная волна перейдет в отрицательную фазу, давление в камере упадет, нагнетательный клапан закроется, а ударный клапан под действием собственного веса и атмосферного давления откроется. Через ударный клапан вода вновь будет вытекать наружу, и цикл работы гидротарана повторится. У гидравлических таранов при оптимальных условиях работы КПД колеблется от 0,6 до 0,8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. В чем заключаются особенности сельскохозяйственного водоснабжения? 2. Что называется системой водоснабжения? 3. Что такое норма и режим водопотребления? 4. Какие требования предъявляются к качеству воды? 5. Какими способами можно улучшить качество воды? 6. Назовите основные элементы систем водоснабжения. 7. Что входит в состав насосной станции? 8. Какие Вы знаете средства механизации подъема воды? 240 16. ГИДРОПНЕВМОТРАНСПОРТ 16.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ Основные сведения. Высокая концентрация и специализация производства в агропромышленном комплексе требуют нового решения проблем механизации и автоматизации технологических процессов, особенно в области транспортирования различных материалов. Так, на свиноводческом комплексе по выращиванию и откорму 108 тыс. гол. ежегодно транспортируют и раздают до 600 т жидких кормов и удаляют до 1 млн м3 навозных стоков (при гидросмывном способе уборки навоза). Такую задачу с наиболее экономичными показателями может решить только гидропневмотранспорт. Его достоинства — непрерывность процесса, высокий коэффициент эксплуатационной надежности, простота устройства, сохранность транспортируемого материала, гигиеничность, удобство эксплуатации и возможность автоматизации процессов. Гидропневмотранспорт — это комплекс устройств и оборудования, предназначенных для перемещения продуктов сельскохозяйственного производства и материалов посредством жидкости (в жидком состоянии) или воздуха (в сухом состоянии). В сельскохозяйственном производстве гидропневмотранспорт используют: - для приготовления и транспортирования жидких кормов на животноводческих предприятиях, транспортирования навоза внутри зданий и к местам переработки, хранения или использования; - для транспортирования сыпучих материалов, например зерна, минеральных удобрений. Гидропиевмотранспорт позволяет полностью перейти на комплексную механизацию погрузочно-разгрузочных работ почти всех материалов сельскохозяйственного производства. Кроме того, он даст возможность производить ряд технологических процессов: охлаждение, подсушивание, увлажнение и очистку от примесей и пыли. Классификация гидропневмотранспортных установок. Гидротранспортные установки подразделяют на напорные и безнапорные. Если технологический процесс достаточно обеспечен водой, а трубопровод имеет надлежащий уклон, то применяют более простые и дешевые безнапорные установки. Для раздачи кормов, заменителей цельного молока в связи со сложностью гидравлических линий используют напорные установки. Для уборки навоза из животноводческих помещений и дальнейшей транспортировки его на место хранения или на поля орошения применяют комбинированные установки. Пневматические установки по способу создания разности давления бывают всасывающего, нагнетательного и смешанного типов. 241 Установки могут быть стационарные и мобильные. Стационарные используют для удаления навоза, транспортирования молока, приготовления и раздачи кормовых смесей на зерноскладах; мобильные — для перегрузки зерна, погрузки сена, соломы, силоса и птицы. По величине развиваемого напора установки делятся на низконапорные с давлением до 0,5 МПа, средненапорные — от 0,5 до 1 МПа и высоконапорные — выше 1 МПа. По способу создания напора они могут быть насосные, компрессорные, пасосно-компрессорные и гидростатические. В зависимости от гидравлической схемы работы гидропневмотранспортных установок они делятся на простые и сложные. Безнапорные установки применяются при удалении навоза из помещений, а также при межоперационных перемещениях зерна в аэролотках. Гидравлические безнапорные установки можно разделить на системы прямого смыва, рециркуляционные и самотечные. Кормо-проводы могут быть стальные, пластмассовые, керамические, асбесто-цементные и стеклянные; навозопроводы — чугунные, асбестоцемент-ные, керамические, пластмассовые, стальные и резинотканевые. При разработке гидропневмотранспортных установок учитывают физико-механические свойства перемещаемых материалов. 16.2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРОСМЕСЕЙ Основные физико-механические свойства. Если несущая среда — капельная жидкость, то такой трубопроводный транспорт называется гидравлическим; если газ — пневматическим. Физико-механические свойства гидросмесей определяются характеристиками составляющих жидкой и твердой частей. В сельскохозяйственных технологических процессах в качестве жидкой составляющей гидросмеси используются вода, обрат, жомовая вода и жидкие физиологические выделения животных; в качестве твердой — корм, твердые фракции биологических отходов животных и т. д. Температура гидросмесей обычно находится в пределах от 5 до 100 °С. К основным физико-механическим свойствам гидросмесей относят: плотность, механическую и гидравлическую крупность, влажность, вязкость, липкость (адгезию) и др. Удельная плотность гидросмеси определяется отношением твердой фракции к жидкой. Она зависит от температуры и концентрации гидросмеси и в расчетах выражается зависимостью Г Т Ж Ж (16.1) где ρт — плотность твердой фракции, кг/м3; ρ — плотность жидкой фракции, кг/м3. 242 Твердая часть гидросмеси оказывает существенное влияние на работу гидропневмотранспортных установок. Механическая крупность частиц характеризуется геометрическими размерами твердой фракции компонента гидросмеси и классифицируется следующим образом: крупная (размер частиц твердого компонента достигает 200 мм; сюда относят корнеклубнеплоды — картофель, свеклу, морковь и др.); мелкая (зерновые материалы с крупностью частиц от 2 до 10 мм); грубодисперсная (размер частиц от 2 до 7 мм; продукты переработки сельскохозяйственных материалов — жом; дробленые корнеклубнеплоды, отходы крупяной промышленности); тонкодиспврсная (запаренный протертый картофель, патока, заменитель цельного молока, кормовые пасты и др.; размер частиц — от коллоидной смеси до 0,5 мм); неоднородная (размер частиц — от коллоидных до 70 мм). При транспортировании гидросмесей с крупными частицами активную роль в переносе твердой фракции играет жидкость. Перемещение смесей с мелкими частицами характеризуется прерывным взвешенным перемещением твердых частиц по вертикали трубопровода. Грубодисперсные частицы находятся во взвешенном состоянии благодаря турбулентному режиму движения. Тонкодисперсные гидросмеси также перемещаются при турбулентном режиме, где твердые компоненты распределяются равномерно по сечению. Скорость перемещения достигает 1,5 м/с. Однородность этих гидросмесей с высокой концентрацией твердых компонентов обладает псевдопластичностью или чисто пластичными свойствами. Неоднородные гидросмеси при размере твердых частиц до 0,5 мм перемещаются во взвешенном состоянии, 6...8 мм — прерывным взвешиванием, а частицы более 10 мм — прерывным взвешиванием в пристенной части или волочением по нижней стенке трубы. Влияние компонентного состава гидросмесей таково, что тонкодисперсные смеси можно отнести приближенно к структурным жидкостям, грубодисперсные — к неоднородным смесям. Гидравлической крупностью твердых частиц в гидросмеси называется скорость равномерного выпадания их в осадок. Она зависит от геометрической формы и размеров частиц, плотности образующего ее вещества и от вязкости жидкой фракции. Гидравлическая крупность обозначается со для тонкодисперсных и неоднородных материалов и вычисляется по формуле 0,545d 2 a , (16.2) где d — средний диаметр частиц, мм; а — насыщение потока транспортируемым продуктом; μ — динамическая вязкость жидкости в гидросмеси. 243 a Г Ж . Г Отметим, что концентрированные гидросмеси имеют частицы от 0,5 до 1,5 мм. При гидропневмотранспортировании сельскохозяйственных кормовых и навозных масс необходимо учитывать размеры частиц, которые по гранулометрическому составу могут быть тонкодисиерсными, неоднородными и грубодисперсными. Коэффициент трения твердой составляющей гидросмеси изменяется в широких пределах: статический — 0,68... 1,64; динамический — 0,31... 1,46. Кроме того, коэффициенты трения зависят от конструкционного материала, состояния поверхности, с которой контактирует транспортируемая гидро- или пневмосмесь, скорости движения, давления и других факторов. Седиментация (осаждаемость) тонкодисперсных сельскохозяйственных гидросмесей зависит от растворимости в воде и образования структуры. В зависимости от гранулометрического состава, концентрации, способа приготовления жидкостей скорость осаждения колеблется от 0,069 • 10"5 до 300 • 10-5 м/с. Удельный вес сельскохозяйственных гидросмесей колеблется от 8 900 до 11 280 Н/м3, а компонентов, входящих в состав гидросмесей, в значительно больших пределах - от 6 000 до 26 000 Н/м3. Консистенция гидросмеси представляет собой степень насыщения твердыми компонентами и выражается объемными или весовыми соотношениями: С= Г В В 100 % = Г 100 %. Т В Т В (16.3) Влажность гидросмеси — это доля воды, содержащаяся в массе смеси, выраженная в процентах: W m mC 100% m (16.4) где т — масса влажной смеси, кг; тс — масса сухой смеси, кг. По зоотехническим требованиям влажность кормосмесей для свиней не должна превышать 65 %. Они могут иметь влажность в пределах 85...90 %, но при этом вся влага будет в свободном состоянии. Последняя гидросмесь транспортируется лучше. Реологические параметры гидросмесей характеризуются необратимыми остаточными деформациями и течением разнообразных вязких и пластичных материалов. Реологию можно рассматривать как механику реальных сплошных сред, заимствуя в определенной степени основные положения теории упругости, пластичности и гидродинамики. Важные реологические параметры — вязкость 244 ньютоновская эффективная, пластическая, модули упругости, предельное напряжение сдвига, ползучесть, период релаксации. Вязкость — одна из главных причин гидравлических сопротивлений и потерь энергии движущихся гидросмесей. Кормовые и навозные массы — это неньютоновские жидкости, поскольку их вязкость зависит от скорости деформации. Для большинства кормосмесей с увеличением скорости сдвига вязкость уменьшается до определенного предела, а затем остается практически постоянной. С уменьшением консистенции и с увеличением влажности вязкость и предельное напряжение сдвига уменьшаются. Вязкостные свойства кормосмесей в большей степени зависят от температуры. При этом при ее повышении у большинства кормосмесей уменьшаются вязкость и предельное напряжение сдвига. 16.3. ТРАНСПОРТИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОТОКА И ВИДЫ ГИДРОПНЕВМОТРАНСПОРТА Транспортирующая способность потока — это такое его состояние, при котором он перемещает максимально возможное количество материала. Движение неньютоновских жидкостей по трубам и лоткам характеризуется целым рядом особенностей по сравнению с движением ньютоновских жидкостей. Класс неньтоновских жидкостей — вязкопластичных — обычно называют бингемовскпй жидкостью (в честь американского ученого Бингема). К ним относятся суспензии и коллоидные растворы, состоящие из двух фаз — твердой и жидкой, кормовые и навозные смеси. Количественная оценка транспортирующей способности потока — критическая скорость, при которой поток максимально насыщен твердыми частицами материала и данная способность используется полностью. Добавки материалов в такой поток приводят к выпаданию твердых частиц на дно. Для определения значения критической скорости при движении гидросмеси в литературе предложено множество эмпирических формул и зависимостей, в разной степени удовлетворяющих практическим потребностям. Напорным гидропневмотранспортом называется такой транспорт, в котором гидравлическая смесь перемещается под давлением. Перемещение гидросмеси может происходить в горизонтальной и вертикальной плоскостях по сложной криволинейной траектории. Напорный гидропневмотранспорт бывает компрессорный, насосно-компрессорный, насосно-напорный и насосновсасывающий. Безнапорное движение осуществляется преимущественно по открытым лоткам и металлическим желобам под действием силы тяжести. В сельскохозяйственном производстве безнапорный гидротранспорт применяется при очистке от навоза животноводческих помещений. Гидравлические 245 безнапорные установки можно разделить на системы прямого смыва, рециркуляционные и самотечные. К безнапорному пневмотранспорту относятся аэрожелоба, где при помощи вентилятора создается поток воздуха, который посредством чешуйчатой решетки направляется в слой зерна (другого сыпучего материала) и переводит последний в псевдоожиженное состояние. Транспортировка сыпучего материала в этом случае происходит за счет силы тяжести в сторону уклона аэрожелоба. Характеристика работы напорного и безнапорного гидротранспорта — критическая скорость. Критической называется такая скорость движения гидросмеси, при которой большая часть твердой фазы, содержащейся в потоке, полностью перемещается, не осаждаясь на дне трубопровода. Для нормальной работы напорного гидротранспорта необходимо, чтобы скорость движения смеси была равна критической или несколько превышала ее. Критическая скорость зависит от гранулометрического состава гидросмеси, его гидравлической крупности, удельного веса частиц и диаметра трубопроводов. При проектировании безнапорного гидротранспорта основной параметр — это уклон дна, который должен обеспечить такую скорость гидросмеси, чтобы крупные частицы не выпадали на дно (не заиливали его). После определения уклона необходимо вычислить скорость и сравнить ее с критической. Уклон лотка (желоба) увеличивают до получения равенства υкр = υ. 16.4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГИДРОПНЕВМОТРАНСПОРТА Основные расчетные параметры гидропневмотранспортной системы — диаметр труб, толщина стенки и их материал. В непосредственной связи с диаметром труб находятся потери давления (напора). Диаметр трубопровода для транспортирования гидросмеси вычисляется из уравнения неразрывности потока: Q = ωυ = const. (15.5) Средняя скорость транспортирования смеси определяется техникоэкономическими расчетами из условия υк < υ < 2 м / с , где υK = 0,6...0,8 м/с — скорость самоочищения труб. По найденному значению выбирается стандартный диаметр трубопровода, уточняется скорость движения гидросмеси и проверяется выполнение условия υк < υ < 2 м/с. По обобщенному критерию Рейнольдса определяют режим движения жидкости. Для бингемовских жидкостей он может быть вычислен по формулам Re * Re 1 1 / 6 0 d / Re , 1 1 / 6sen (16.6) 246 где τ0 — начальное напряжение сдвига; η — структурная вязкость; υ — средняя скорость гидросмеси, м/с; sen = τ0d/μυ — критерий Сен-Венона (Ильюшина) — характеристика пластических свойств жидкости для кормовых смесей; Re * 1 2 d 6 . (16.7) Если Re* < 1 500...5 000, то действует переходный режим движения. В этом случае диаметр трубы и скорость выбраны правильно. Если Re* > 1 500...500, то режим движения турбулентный и в трубопроводе будут отмечаться чрезмерно большие потери давления. Поэтому необходимо увеличить диаметр и уменьшить скорость движения гидросмеси в трубопроводе. При влажности кормовых и навозных масс свыше 95 % можно применять турбулентный режим. Расчет ведут по тем же закономерностям, как и для воды. При расчете потерь давления руководствуются следующим: в режиме движения кормовых смесей структурно-гидравлические сопротивления при транспортировании пропорциональны объемному расходу или скорости; при одинаковом объемном расходе потери давления возрастают с уменьшением диаметра трубопровода; увеличение потерь давления опережает уменьшение площади поперечного сечения трубопровода. Потери давления (напора) в основном зависят от структурной вязкости и предельного напряжения сдвига. Гидравлический расчет гидропневмопроводов проводят по упро-и1енной формуле Букингема: i 16 0 32 , 3d d 2 (16.8) где i — гидравлический уклон; τ0 — начальное напряжение сдвига; η — структурная вязкость; υ — средняя скорость гидросмеси, м/с. 3idg d 2 g i i0 , 0 ; 16 32 (16.9) где i 0 — начальный гидравлический уклон, соответствующий нулевой скорости. Потери давления можно вычислить по методике Дарси — Вейсбаха на основании формулы рдл l 2 d 2 , (16.10) где λ = 64/Re* Местные потери давления рекомендуется рассчитывать, как потери на некотором дополнительном участке основного трубопровода: hM / D, 247 где ξ — коэффициент сопротивления; D — диаметр трубопровода, мм. Потери давления на подъем h гидросмеси вычисляют по формуле pП R Г , 0 (16.11) где ρг — плотность гидросмеси, кг/м3; ρ0 — плотность жидкой составляющей (воды), кг/м* Расход жидкости при структурном режиме может быть определен по упрощенной формуле Букингема: r 4 4 Q p p0 , 8L 3 (16.12) где r — радиус трубопровода, мм; L — длина объема жидкости внутри трубы, мм; Δр — приложенная разность давления, Па; Δр0 — разность давления, соответствующая началу движения жидкости (Δр0 = p1 — р2 = 4τ0l/d), Па; l — длина трубопровода, м. Давление, которое необходимо создать в начале трубопровода, чтобы обеспечить заданную подачу гидротранспортной установки, вычисляют по зависимости рну = (Δк -Δн)ρg + Δp (16.13) где Δк, Δн — соответственно отметки центров тяжести начального и конечного сечения трубопровода; Δр — общие потери давления в гидросети, Па. В заключение следует сказать, что к настоящему моменту сложились следующие практические методы расчета гидротранспорта: - основанные на опытных данных, которые характеризуются интегральными кривыми, или на табличных материалах; - на базе сравнения интегральных характеристик воды и гидросмеси; - по эмпирическим формулам, полученным на основе обобщения опытного материала по исследованию гидротранспорта; - базирующиеся на теоретических предпосылках о закономерностях движения гидросмесей. 16.5. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ГИДРОПНЕВМОТРАНСПОРТНЫХ УСТАНОВОК Гидронневмотранспорт для навоза на животноводческих предприятиях. Гидравлическая уборка навоза из животноводческих помещений имеет несколько вариантов, но в ее основе лежат две системы: прямоточная и оборотная. Для транспортирования навоза в навозохранилище применяются напорные, напорно-всасывающие и безнапорные установки. Напорные установки могут быть насосными и компрессорными, а напорно-всасывающие 248 чаще всего представлены вакуумно-компрессорными. Безнапорные установки применяются в том случае, если уклон местности позволяет достичь необходимой разности геодезических отметок. На поля фильтрации навоз из навозохранилищ транспортируется напорными гидротранспортными установками. Из помещений его убирают напорными и безнапорными гидравлическими системами. К безнапорным системам относят: смывные, отстойно-лотковые (шлюзовые), комбинированные и самотечные. Гидросмыв может осуществляться прямым и рециркуляционным способами. При прямом смыве навоз удаляют струей воды, создаваемой давлением от сети или подкачивающим насосом. Этот способ требует большого количества воды, поэтому он применяется только в хозяйствах, хорошо ею обеспеченных, а рециркуляционный метод в нашей стране не используется. Отстойно-лотковая система периодического удаления навоза состоит из продольных и поперечных каналов, закрытых по всей длине решетками. Поперечный канал имеет уклон в сторону навозоприемника и перекрывается перед входом в него шиберной задвижкой, которая открывается несколько раз в месяц для сбрасывания навоза и некоторого количества воды, добавляемой в канал. Продольные каналы промываются в период выпуска навоза (раз в 10... 15 дней) с помощью смывных бачков вместимостью 0,5 м3 и труб. Навоз, втаптываемый животными в щели полов, попадает в эти каналы, заранее заполненные водой. После полного заполнения канала задвижку открывают, и жидкий навоз по всему сечению поперечного канала стекает в навозоприемник. После закрытия задвижки цикл повторяется. Самотечная (самосплавная) система проектируется в виде отдельных продольных каналов, перекрытых щелевыми полами, и поперечного канала, проходящего через ряд животноводческих зданий. Жидкий навоз из поперечных каналов поступает в приемный резервуар, сблокированный с насосной станцией. Данная система основана на принципе самопродвижения структурной гидросмеси. Жидкий навоз по каналу с горизонтальным дном начинает постепенно течь в сторону, где нет стены. Через некоторое время свободная поверхность навоза образует с горизонтальным дном угол от 2 до 3°, который зависит прежде всего от структурных свойств жидкого навоза: начального напряжения сдвига и структурной вязкости, а также влажности и органических составляющих. Напор, создаваемый разностью толщины слоя, — это та сила, которая перемещает навоз по каналу непрерывно со скоростью 1...2 м/ч. В начале эксплуатации системы каналы заполняют водой до уровня порожка, устанавливаемого в конце канала. После завершения цикла производства самосплавные каналы очищают с помощью смывных трубопроводов, оборудованных насадками, технической водой или обеззараженной жидкой фракцией навоза. 249 Рис. 16.1. Схема самотечной системы удаления навоза: 1 – магистральный трубопровод; 2 – каналы форсунок для смыва; 3 – поперечный канал; 4 – продольные каналы; 5 – главный коллектор; 6 – насосная станция; 7 – напорный трубопровод Транспортирование навоза от животноводческих зданий к местам обработки и использования осуществляют по каналам или трубопроводам с помощью насосов. Самотечный способ — самый экономичный, но строительство самосплавных систем связано с рельефом местности. При напорном способе жидкий навоз транспортируется фекальными насосами 5Ф-6,5, 5Ф-12, КФВ-6 и др. От навозоприемника насосной станции до навозохранилища прокладывают стационарный или сборно-разборный трубопровод, диаметр труб которого зависит от физико-механических свойств жидкого навоза, режима транспортирования и принимается от 150 мм и более. Рис. 16.2. Схема компрессорной установки для удаления навоза: 1 – компрессор; 2 – ресивер; 3 – воздухопровод; 4 – продувной котёл; 5 – скребковый транспортёр; 6 – напорный трубопровод Пневматические установки используются для подачи навоза в навозохранилища при уборке его в животноводческих помещениях скребковыми транспортерами. Навоз из фермы удаляется следующим образом. Транспортером 250 через приемную воронку он перемещается в продувочный канал. Если навозная масса густая, то добавляют воду. Когда резервуар заполнится, открывают воздушный вентиль, и воздухом при давлении в ресивере 0,3...0,6 МПа навоз по трубопроводу вытесняется в навозохранилище. Пневматические установки используют также внутри животноводческих помещений. Большой интерес для практики представляет пневмогидравлическая система сквозного удаления жидкого навоза конструкции И. А. Фурсина (Кубанский сельскохозяйственный институт). На этой установке последовательно осуществляются две основные операции: транспортирование жидкого навоза от животноводческого помещения до навозохранилища и разделение его на твердую и жидкую фракции за счет энергии воздуха, сжатого компрессором при транспортировании. Рис. 16.3. Схема автоматизированной поточной пневмогидравлический установки удаления и переработки жидкого навоза (конструкции П.А. Фурсина): 1 – задвижка; 2 – гидроциклон; 3 – фланец; 4 – диффузор; 5 – патрубок твёрдой фракции; 6 – задвижка; 7 – внешний навозопровод; 8 – внутренний навозопровод; 9 – приёмник; 10 – решетчатый пол; 11 – флажковый клапан; 12- датчик уровня; 13 – накопитель; 14 – воздушный клапан; 15 – воздухопровод; 16 – манометр; 17 – ресивер; 18 – компрессор. Установка (см. рис. 16.3) работает следующим образом. Навоз через щелевые полы 10 и приемник 9 поступает в накопительные камеры. При открытии клапана 11 он поступает в навозопровод 8 и накопитель 13. Когда последний заполнится, из ресивера 17 через воздушный клапан 14 подают 251 сжатый компрессором 18 воздух, который перемещает навоз в виде жидкой пробки в навозопроводы 8 и 7. При своем движении жидкая пробка закрывает клапан 11 приемника 9. Она транспортируется в гидроциклон 2, куда порция навоза входит через патрубок по касательной, получая интенсивное вращение, в результате чего более плотные и тяжелые частицы фракции центробежной силой прижимаются к стенке корпуса. Далее они по спиралевидной траектории опускаются вниз и удаляются из циклона через патрубок 5 твердой фракции. Жидкая фракция, имеющая в себе мелкие частицы взвеси, оттесняется в центральную часть циклона, а затем выводится из него через диффузор 4 и удаляется через выходной патрубок с задвижкой 1. Гидропневмотранспорт для приготовления, транспортирования и раздачи жидких и сыпучих кормов. Гидропневмотранспортированис кормов и их смесей находит широкое применение на животноводческих предприятиях. Для транспортирования кормов применяют насосные, компрессорные и насоснокомпрессорные установки с разветвленными или кольцевыми кормопроводами. Пневмотранспорт сравнительно молод, первые установки начали применять в конце XIX — начале XX в. для транспортирования сыпучих материалов — выгрузки зерна из судов. В нашей стране он используется на предприятиях пищевой промышленности, крупяных и комбикормовых заводах, зерноперерабатывающих предприятиях. На комбикормовых заводах и зерноскладах пневмотранспорт служит для выгрузки и погрузки машин, вагонов, наполнения бункеров и межоперационных перемещений. Проводятся испытания по использованию пневмотранспорта для картофеля. Особо хорошо зарекомендовали себя пневмотранспортеры, перемещающие полову, солому, силос, сено, сенаж. Гидротранспортные установки применяются на свиноводческих, овцеводческих, птицеводческих фермах и на фермах крупного рогатого скота. В зависимости от типа кормления применяют различные схемы гидропневмотранспортных установок. Насосные гидротранспортные установки для кормосмесей состоят из смесителей для приготовления кормосмесей, насосного оборудования, магистрального трубопровода и корморазборочной арматуры. В этих установках используются центробежные, фекальные, песковые, поршневые, винтовые и другие насосы. Выбор насоса обусловлен величиной развиваемого напора. В пневмотранспортных установках для создания напора в системе используется сжатый воздух. Принцип работы таких установок заключается в следующем: приготовленный в смесителе корм через отстойник поступает в полость продувочного котла. После заполнения его герметически закрывают, и через воздуходувный патрубок в него подают воздух под давлением от 0,5 до 0,6 МПа, что обеспечивает выдавливание корма в кормопровод и перемещение его по трубам. 252 Насосно-пневматические установки более надежны в работе. Насосный способ транспортирования по конструкции менее сложен, он производительнее, дешевле, но не обеспечивает надежной работы при подаче кормов влажностью менее 70 %. Гидропнсвмотранспортные установки для транспортирования других сельскохозяйственных продуктов. Использование гидропневмотранспорта для сельскохозяйственных материалов значительно улучшает санитарные условия перемещения сухих и сыпучих материалов. Опыт эксплуатации в пищевой промышленности аэрожелобов для перемещения зерна и муки начал применяться при оборудовании зерноскладов, кормоцехов. Канал аэрожелоба шириной 200 мм выполняется из бетона. Воздушный канал закрыт чешуйчатой решеткой, его высота у патрубка 400 мм, а у входа в галерею 100 мм. Установленный на тележке вентилятор через брезентовую вставку и двухрукавный патрубок подает воздух в канал. Патрубок имеет клапан, позволяющий регулировать подачу воздуха в аэрожелоб. Пневматический транспорт применяется для загрузки башенных хранилищ высотой до 24 м. Выпускаемый серийно ТЗБ-30 (транспортер-загрузчик сенажных башен передвижной) состоит из транспортера-питателя, вентиляторашвырялки и электропривода. Рабочий орган транспортера-питателя — две втулочно-роликовые цепи, соединенные скребками. Его привод осуществляется через цепную передачу от электродвигателя (мотор-редуктор). Вентиляторшвырялка приводится в действие от электродвигателя через карданную передачу и служит для подачи сенажной массы в башенный трубопровод. Пневмотранспорта ые установки широко применяются для подачи комбикормов в различных хозяйствах страны. На птицефабриках используют аэрозольный пневматический транспорт. Пневмотранспортная установка для выгрузки травяной муки работает так. Мука из секции хранилища по гибкому шлангу всасывается вентилятором и направляется по трубопроводу в два последовательно соединенных циклона. В них она отделяется от воздуха и через шлюзовые затворы попадает в бункер, откуда мука подается на линию дальнейшей переработки или в мобильный транспорт. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Расскажите о применении гидропневмотранспорта в сельскохозяйственном производстве. 2. Дайте классификацию гидропневмотранспорта. 3. Перечислите физико-механические свойства гидросмесей. 4. Назовите реологические параметры сельскохозяйственных материалов. 253 5. Из каких основных элементов состоят системы гидропневмотранспорта для кормовых масс? 254 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Абрамов Н. Н. Водоснабжение / И. Н. Абрамов. – М. : Стройиздат, 1982. – 440 с. 2. Богомолов А. И. Гидравлика / А. И. Богомолов, К. А. Михайлов. – М. : Стройиздат, 1982. - 648 с. 3. Вильнер Я. М. Справочное пособие по гидравлике, насосам и гидропередачам / Я. М. Вильнер, Я. Т. Ковалев, Б. Б. Некрасов. – Минск : Вышэйш. шк., 1985. – 384 с. 4. Вокина В. В. Машиностроительная гидравлика / В. В. Вокина, И. Д. Дежисенко, А. Л. Столяров. – Киев : Вища шк., 1987. – 208 с. 5. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов [и др.]. – М. : Машиностроение, 1982. – 432 с. 6. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод / Т. В. Артемьева, Т. М. Лысенко, А. Н. Румянцева, С. П. Стесин. – М. : Академия, 2005. – 335 с. 7. Ерхов Н. С. Сельскохозяйственная мелиорация и водоснабжение / Н. С. Ер-хов, В. С. Мисенев, И. М. Ильин. - М. : Колос, 1983. - 352 с. 8. Исаев А. П. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов / А. П. Исаев, Б. И. Сергеев, В.А. Дидур. – М. : Агропромиздат, 1990. – 400 с. 9. Карамбиров Н. А. Сельскохозяйственное водоснабжение / Н. А. Карамбиров. – М. : Колос, 1986. - 416 с. 10. Константинов Ю. М. Гидравлика / Ю. М. Константинов. – Киев : Вища шк., 1981. - 360 с. 11. Костюченко Э. В. Практикум по гидравлике и гидромеханизации сельскохозяйственных процессов / Э. В. Костюченко, В. И. Лаптев, Л. А. Холодок. – Минск : Урожай, 1991. - 272 с. 12. Курганов А. М. Справочник но гидравлическим расчетам систем водоснабжения и водоотведения / А. М. Курганов, Н. Ф. Федоров. – Л. : Стройиэдат, 1986. – 384 с. 13. Лобачев П. В. Насосы и насосные станции / П. В. Лобачев. – М. : Стройиздат, 1990. - 320 с. 14. Ловкие 3. В. Гидроприводы сельскохозяйственной техники : конструкция и расчет / 3. В. Ловкие. – М. : Стройиздат, 1990. – 239 с. 15. Лопастные насосы : справочник / В. А. Зимницкий, А. В. Каплун, А. Н. По-пир [и др.]. – Л. : Машиностроение, 1986. – 442 с. 16. Малюшенко В. В. Динамические насосы : атлас / В. В. Малюшенко. – М. : Машиностроение, 1984. – 214 с. 17. Оводов В. С. Сельскохозяйственное водоснабжение / В. С. Оводов. – М. : Колос, 1982. - 412с. 255 18. Палишкин Н. А. Гидравлика и сельскохозяйственное водоснабжение / Н. А. Палишкин. – М. : Агропромиздат, 1990. – 351 с. 19. Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации / под ред. Е. С. Маркова. - М. : Колос, 1981. - 374 с. 20. Чугаев Р. Р. Гидравлика / Р. Р. Чугаев. – Л. : Энергоиздат, 1982. – 672 с. 21. Штеренлихт Д. В. Гидравлика : в 2 кн. / Д. В. Штеренлихт. – М. : Энергоатомиздат, 1991. - Кн. 1. - 350 с; Кн. 2. - 367 с. 256 СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ............................................................ …………………………….3 ВВЕДЕНИЕ .................................................................... …………………………….4 1. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ 1.1.Понятие «жидкость». Основные физические свойства жидкости…………….7 1.2.Гидравлическое давление и его свойства……………………………………...12 1.3.Дифференциальные уравнения равновесия жидкости (уравнения Эйлера).......................................................…………………………….14 1.4. Основное уравнение гидростатики и его геометрическая интерпретация. Закон Паскаля ...............................................................…………………………….15 2.ДЕЙСТВИЕ СИЛЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПЛОСКИЕ И КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ 2.1.Избыточное и вакуумметрическое давление. Измерение давления…………22 2.2.Определение величины, направления и точки приложения силы гидростатического давления на плоские стенки ....... …………………………….24 2.3.Определение величины, направления и точки приложения силы гидростатического давления на криволинейные стенки………………………….29 2.4.Закон Архимеда ..................................................... …………………………….30 2.5.Использование законов гидростатики в гидравлических машинах………....32 3. УРАВНЕНИЕ Д. БЕРНУЛЛИ 3.1.Понятие о гидродинамике. Виды движения жидкостей……………………...35 3.2.Гидравлические элементы потока ........................ …………………………….36 3.3.Уравнение неразрывности установившегося движения жидкости………….38 3.4.Уравнение Д. Бернулли для элементарной струйки невязкой и вязкой жидкости ....................................................................................... ………39 3.5.Уравнение Д. Бернулли для потока вязкой жидкости. Коэффициент Кориолиса………………………………………………………………………...….42 3.6.Физический смысл и графическая интерпретация уравнения Д. Бернулли .................................................................. …………………………….43 4.ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПОДОБИЕ И РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ 4.1. Подобие и моделирование гидравлических явлений. Общий закон гидромеханического подобия .............................................. ………46 4.2.Частные критерии подобия ................................................................... ………47 4.3.Режимы движения жидкости. Число Рейнольдса ............................... ………49 5.ПОТЕРИ НАПОРА ПРИ РАВНОМЕРНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ 5.1.Понятие о гидравлических сопротивлениях. Основное уравнение равномерного движения жидкости ............................................................ ………53 257 5.2.Потери напора по длине в каналах круглого и некруглого сечений………...54 5.3.Коэффициент гидравлического трения. График Никурадзе…………………56 5.4. Местные потери напора и их вилы. Определение суммарных потерь напора ........................................................................................................... ………57 6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 6.1.Классификация трубопроводов. Основная формула при расчете трубопроводов ..............................................................…………………………….62 6.2.Расчет коротких трубопроводов ........................................................... ………63 6.3.Расчет длинных трубопроводов при последовательном и параллельном соединении труб ............................................................... ………64 6.4.Расчет тупиковой и кольцевой сетей трубопровода………………………….66 6.5.Гидравлический удар в трубопроводах. Формула Н. Жуковского…………..67 7. ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ И НАСАДКИ 7.1. Определение скорости и расхода жидкости при ее истечении из отверстий при постоянном и переменном напоре …………………………….70 7.2.Назначение насадков и их виды. Применение насадков в технике………….73 7.3.Понятие о гидравлической струе. Уравнение движения свободной струи жидкости ............................................................................................ ………75 7.4.Движение жидкости в каналах и водоводах ........................................ ………79 7.5.Понятие о фильтрации. Основной закон фильтрации………………………..81 8. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ. НАСОСЫ 8.1.Понятие о гидравлических машинах и их классификация…………………..83 8.2.Устройство и принцип действия центробежного и объемного насосов…….84 8.3.Основные технические показатели насосов. Баланс энергии в насосе ……..86 8.4.Устройство насосной установки. Потребный напор насоса…………………88 8.5.Основное уравнение лопастных насосов ............................................. ………90 8.6.Кавитация насосов. Допустимая высота всасывания………………………...94 8.7.Теорема подобия лопастных насосов ................................................... ……....98 8.8.Характеристика центробежных насосов .............................................. ……..105 8.9.Работа насоса на сеть. Регулирование режима работы насоса……………..107 8.10.Параллельное и последовательное соединение насосов ………………….109 8.11.Конструктивные разновидности и принцип действия лопастных насосов……………………………………………………………………………...110 8.12 Основные технические показатели и устройствообъемных насосов…………………………………………………………………………...…116 8.13 Конструкция и работа насосов трения…………………………………...……...124 9. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ 9.1.Классификация гидродвигателей и определение их основных параметров…………………………………………………………………………127 258 9.2.Конструктивные схемы гидроцилиндров. Определение основных параметров гидроцилиндров ........................................................................................... ….….129 9.3.Применение поворотных гидродвигателей и их классификация…………..132 9.4.Гидромоторы и их использование в сельскохозяйственной технике……...136 9.5.Назначение, применение и классификация гидравлических турбин……....140 10. ВЕНТИЛЯТОРЫ И КОМПРЕССОРЫ 10. 1. Назначение и классификация вентиляторов……………………………....143 10.2.Характеристики вентиляторов и область их применения…………………148 10.3.Выбор вентилятора. Коэффициент быстроходности вентилятора………..149 10.4.Назначение и классификация компрессоров ..................................... ……..149 11. ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОПРИВОД 11.1. Назначение, общая характеристика и классификация гидропривода…....151 11.2. Гидравлический расчет объемного гидропривода……………………….154 11.2.1.Выбор гидроцилиндра ...................................................................... ……..155 11.2.2.Выбор гидромотора .......................................... ……………………………157 11.3.Тепловой расчет гидропривода .......................... ……………………………160 11.4.Агрегаты гидропривода....................................... ……………………………161 12. АГРЕГАТЫ ГИДРОПРИВОДОВ 12.1 Насосы……………………………………………………………….………..164 12.2 Гидрдвигатели…………………………………………….………………….169 12.3 Гидрораспределители…………………………………….………………….171 12.4 Клапаны…………………………………………………………..…………..175 12.5 Дроссели и синхронизаторы………………………………..……………….179 12.6 Гидроаккумуляторы ………………………………………...……………….181 12.7 Баки и устройства для кондиционирования рабочей жидкости ……...…..182 12.8 Гидравлические магистрали и рабочие жидкости…………………...…….183 13. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ 13.1 Достоинства гидродинамических передач и их применение в сельскохозяйственных машинах ………………………………………...……….187 13.1.1 Гидромуфты…………………………………………………………….…..188 13.1.2 Гидроаккумуляторы ………………………………………………….….195 13.2 Основы теории гидродинамических передач…………………………...….199 14. ОСНОВЫ ГИДРОМЕЛИОРАЦИИ И МЕХАНИЗИРОВАННОЕ ОРОШЕНИЕ 14.1 Характеристика природных водных ресурсов…………………………...202 14.2Водное хозяйство и принципы комплексного использования водных ресурсов ......................................................... ……………………………204 14.3 Назначение мелиорации и ее виды ................. ……………………………205 14.4 Гидромелиорация и орошение ........................... ……………………………205 14.5 Оросительные системы. Режим орошения……..…………………………207 259 14.6 Поверхностный полив и средства его механизации…………………..…210 14.7Орошение дождеванием………………………………………………….......212 14.8 Основные типы дождевальных машин, установок и насадков …………...216 15. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ 15.1 Особенности сельскохозяйственного водоснабжения. Системы водоснабжения ............................................................ ……………………………219 15.2 Нормы и режим водопотребления..................... ……………………………220 15.3 Требования к качеству воды и способы его улучшения …………..……...223 15.4 Водозаборные сооружения из поверхностных и подземных источников 228 15.5 Водопроводные насосные станции ................... ……………………………233 15.6 Напорно-регулирующие сооружения ................ ……………………………235 15.7 Водопроводные сети и средства механизации подъема воды………….…237 16. ГИДРОПНЕВМОТРАНСПОРТ 16.1 Основные сведения и классификация ............... ……………………………241 16.2 Классификация, основные физико-механические свойства и реологические параметры гидросмесей ................. ……………………………242 16.3 Транспортирующая способность потока и виды гидропневмотранспорта 245 16.4 Основные методы расчета гидропневмотранспорта…………………….....246 16.5 Типовые схемы гидропневмотранспортных установок………………………………………………………………..…….……248 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ....................... ……………………………255 260
