Підручник Гідравлічні та аеродінамічні машіни

УДК 532.002.5:62.712.3(075.8) ББК 31.56:31.76я7 Г - 37

Затверджено Міністерством освіти і науки України

(лист № 1.4/18-Г-921 від 13.06.07)

Рецензенти:

З.Р. Маланчук, доктор технічних наук, професор (Національний університет водного господарства та природокористування).

О.О. Федорець, доктор технічних наук, професор (Кременчуцький державний політехнічний університет).

Ю.І. Гринь, доктор технічних наук, професор, завідувач відділу зрошувальних систем (Інститут гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук).

Е.В. Залуцький, кандидат технічних наук, доцент кафедри водо- постачання (Київський національний університет будівництва і архі- тектури)

Герасимов Г.Г.

Г – 37 Гідравлічні та аеродинамічні машини: Підручник. - Рівне:

НУВГП, 2008.- 241 с. з іл.

ISBN 978-966-327-090-6

Розглянуто основні типи гідравлічних і аеродинамічних машин. Висвітлено їх принцип дії, конструкції і характеристики, особливості сумісної роботи насосів і трубопроводів, способи регулювання подачі. Наведені методи обґрунтування параметрів насосних, компресорних і вентиляторних установок.

Навчальний посібник для студентів вузів, які навчаються за напря- мом 6.060103 ”Гідротехніка” (водні ресурси).

УДК 532.002.5:62.712.3(075.8) ББК 31.56:31.76я7

В С Т У П

Проблеми води в Україні – це проблема здоров’я її жителів, це визначаль- ний фактор розвитку економіки. Для забезпечення водою населення і галузей економіки в країні функціонує складний водогосподарський комплекс, до якого входять 63 тис. річок, понад 1000 водосховищ, близько 29 тис. ставків, де зарегульовано біля 58 млрд. куб. м. води, створена система міжбасейнових каналів і водогонів.

Забезпеченість України прісною водою майже у три рази менше, ніж у се- редньому в світі, та в 2,5...2 рази нижче, ніж у країнах Європи. У 1998 р. во- дозабір з водойм України становив 19,0 км3, або 22% від усіх ресурсів країни у середній за водністю рік, тобто рівень вище світового. Скинуто у ті ж водо- йми неочищеними 11,4 км3, що тільки удвічі менше місцевого стоку у посу- шливі роки. Забруднений поверхневий стік акумулюється у водосховищах та ставках, поповнює запаси ґрунтових та підземних вод, тому проблема висна- ження якісних прісних вод в Україні знаходиться на першому плані.

Необхідність меліорації на Україні визначається природними умовами. Так у степовій частині України кожен третій рік спостерігаються посухи і зниження виробництва зерна на 15…17 млн. т.

На початок 2001 р. площа зрошувальних земель на Україні складала 2,45 млн. га, або 6% від загальної площі сільськогосподарських угідь. Тепер на 90% зрошувальної площі вода подається за допомогою 4,5 тис. насосних установок, на яких працює понад 50 тис. насосів. В автоматичному режимі працює всього 70 насосних станцій, тому насосні станції обслуговують понад 20 тис. машиністів.

Закритих трубопроводів на Україні збудовано понад 31 тис. км; з них 15 тис. км з сталевих труб, а решта з азбестоцементних і залізобетонних труб.

Найбільші зрошувальні системи України: Каховська, Північно-Кримська, Краснознаменська і ін. Сумарна річна подача води становить 6000 м3/с, а річ- не споживання електроенергії перевищує 2,5 млрд. кВт год.

В теперішній час актуальною стає необхідність енергозбереження при ро- боті водогосподарського комплексу, що викликано трьома головними причи- нами.

1. Високою витратою електроенергії на 1 га зрошувальних земель. Так, при поливі дощувальними машинами ”Фрегат вона становить 500...700 кВт год/га, машинами „Дніпр” – 450...670 кВт год/га.

2.Неодмінне збереження достатньо високого питомого показника поли- тих земель з оптимальним режимом зрошення в умовах серйозного дефіциту електроенергії в певні години доби, а також тяжкого фінансового стану гос- подарств-водокористувачів.

3.Зменшенням фінансування витрат на експлуатацію меліоративних сис- тем, високими затратами на оплату електроенергії, яка споживається насос- ними станціями, що складає в зоні зрошення 75...80 % всіх експлуатаційних

3

затрат, а також різким зростанням вартості запасних частин обладнання насо- сних станцій.

При плануванні заходів по енергозбереженню необхідно враховувати різ- ні тарифи на оплату електроенергії на протязі доби, яка існує на Україні. Встановлені границі тарифних періодів: нічного, напівпікового, і пікового. Вартість електроенергії в нічний час в залежності від енергосистем в 9,5...10,3 рази менше ніж в піковий; в 4,5..5,1 раз менше ніж в напівпіковий.

До організаційних заходів, які забезпечують енергозбереження, належать:

-регламентація і нормування подачі води споживачам;

-відключення в зимовий період встановлених на трансформаторних підстанціях силових трансформаторів;

-забезпечення роботи основного обладнання в оптимальних режимах з високим коефіцієнтом корисної дії;

-впровадження матеріального заохочення робітників за економію еле- ктроенергії.

До технічних засобів, які забезпечують енергозбереження, належать:

-заміна поливної техніки, яка працює при високих напорах, на низько- напірну;

-встановлення багатотарифних лічильників електроенергії;

-проведення реконструкцій, технічного переоснащення або капіталь- них ремонтів обладнання для зменшення енергоспоживання;

-очищення напірних трубопроводів і закритих зрошувальних мереж від засмічення і заростання і ін., які збільшують гідравлічний опір;

-сучасне проведення поточних і капітальних ремонтів гідромеханічно- го обладнання насосних станцій, вентиляторних і компресорних уста- новок (в цілому вентиляторні установки споживають до 7 % всієї еле- ктроенергії, що виробляється на Україні).

Підвищення ефективності роботи насосних станцій водопостачання, зро- шувальних і осушувальних систем України дозволить зменшити річне спо- живання ними електроенергії на 25 млн. кВт год.

Виконання зазначених завдань потребує від спеціалістів глибокого знання законів гідравліки і теоретичних положень, на яких основана робота гідравлі- чних машин – насосів, компресорів, вентиляторів і ін., що широко застосо- вуються у водному господарстві.

Мета і завдання курсу.

Мета курсу. Дати майбутньому інженеру-гідротехніку теоретичні знання і практичні навички в питаннях, що стосуються принципу дії, особливостей конструкції, характеристик та режимів роботи гідравлічних і аеродинамічних машин.

Завдання вивчення дисципліни. Гідравлічні та аеродинамічні машини ши- роко використовуються в системах водопостачання, в спорудах зрошуваль- них та осушувальних систем, а також при їх будівництві. В зв’язку з цим за- дачею вивчення дисципліни є оволодіння методологіями: обґрунтування па-

4

раметрів гідромеханічного обладнання насосних станцій, обладнання венти- ляторних і компресорних установок, вибору типів вітронасосних установок, отримання і використання характеристик гідравлічних і аеродинамічних ма- шин, аналізу та регулюванню їх роботи.

Згідно з вимогами освітньо-професійної програми студенти повинні:

знати:

-конструкції, принципи дії і обслуговування основних типів насосів, водопідйомників чистої і стічної води, аеродинамічних машин;

-основи теорії відцентрових насосів;

-закономірності сумісної роботи насосів і трубопроводів;

вміти:

у складі групи фахівців проектного відділу в умовах спеціально обладна- ного робочого місця

•використовуючи результати вишукувальних робіт, обчислювальну тех- ніку, діючі методики та нормативні документи, визначати висотне положення гідромеханічного обладнання;

•за допомогою автоматизованого робочого місця, використовуючи нор- мативну і довідкову літературу, проводити добір гідравлічних і аеродинаміч- них машин; аналізувати їх функціонування в системі, враховуючи сумісну роботу машин та водогонів;

•використовуючи типові проекти, паспорти виробів та іншу документа- цію, користуватися каталогами інженерного обладнання і арматури вітчизня- ного та зарубіжного виробництва;

в умовах виробничої діяльності, керуючись відповідними інструкціями та правилами, за допомогою приладів, арматури, інструментів та інших при- строїв

•регулювати роботу гідравлічних і аеродинамічних машин;

•експлуатувати гідравлічні і аеродинамічні машини.

5

1.ВИДИ ГІДРАВЛІЧНИХ І АЕРОДИНАМІЧНИХ МАШИН

1.1Стислі історичні відомості про розвиток гідравлічних і аеродинамічних машин.

Зстародавніх споруд відомі римські акведуки довжиною до 91,7 км і ви- сотою до 45 м, які самопливом доставляли воду з джерел в гірській місцевос- ті до Риму.

Згідромашин найбільш цікаві такі пристрої:

а) Водопідйомне колесо: напір Н =3…4 м, подача Q = 8…10 м3/год – 1700

Рис.1.2. Пожежний насос з Олексан дрії (200років до Н.Е.)

б) В Каїрі ланцюговий насос підні-

Рис. 1.1. Водяне колесо мав воду з колодязя глибиною 90 м –

1700 р. до Н.Е.

в) Пожежний насос з Олександрії (Єгипет) за 200 р. до Н.Е. мав всі елеме- нті сучасного поршневого насоса, рис. 1.2: плунжер, нагнітальний і всмокту- вальний клапани, коромисло, всмоктувальний і нагнітальний отвори. Цей

6

насос виготовив з бронзи Ктцебиус (Ктезибий).

г) Архимедів гвинт з’явився за 1000 р. до Н.Е., рис. 1.3 і включав відкри- тий лоток, напірну спіраль, вал і привід.

д) Паровий балансирний насос Ньюкомена було запроваджено в 1805 р., рис. 1.4. Цей насос включав топку, паровий котел, поршень-циліндр, сопло для вприску води, коромисло і поршневий прямопрохідний насос простої дії.

е) Леонардо да Вінчи (1452-1490р.) – вперше з’явилася ідея відцентрового насоса.

ж) Деніс Папін (1617-1710) запропонував перший насос відцентрової дії,

рис.1.5.

7

Рис. 1.8. Схема відцентрового насоса А.А.Саблукова, 1832 р.

Рис. 1.9. Відцентрова повітродувна машина А.А. Саблукова

8

л) Крім поршневих насосів для напірної подачі рідкого середовища у ве- ликих об’ємах почали використовувати насоси обертальної дії.

Ромелі в 1588 р. описав чотири обертальних насоса, які дуже нагадують за принципом дії сучасні роторні об’ємні насоси, рис. 1.10. Роторний насос з відсічною пластиною показано на рис. 1.11. Цей насос використовувався з кінця 17-го сторіччя. Його недоліки – великі витоки, значний знос, низький коефіцієнт корисної дії. Тому пізніше з’явилися двохвальні насоси – гвинтові і шестеренні.

В історії невідомо, хто перший використав гідравлічний двигун. В Індії та Китаї ще за тисячі років до нашої ери існували водосилові установки. Про водяні млини на Русі згадується в документах ХІ століття. Перші гідравлічні двигуни включали дерев’яні колеса з лопатями. Нижня частина колеса зану- рювалася в водяний потік. Такі водяні колеса називали нижньобійними. В них використовувалась переважно кінетична енергія водяного потоку. Якщо направити потік зверху на колесо, то вода буде діяти на половину його лопа- тей і потужність збільшиться. Таке колесо називали верхньоналивним. Ори- гінальні конструкції водяних коліс були споруджені талановитим російським гідротехніком К.Д. Фроловим в 1785 р. на Зміїногірському руднику. Ним бу- ли встановлені водяні колеса діаметром до 18 метрів. Така машина приводила в дію раму для розпилювання деревини, млин, рудопідйомні і водопідйомні пристрої, транспорт рудника. Для свого часу це були неперевершені зразки гідротехнічного інженерного мистецтва.

Загальну теорію гідромашин розробив Л. Ейлер, а М.Є. Жуковський (1827-1921) розробив вихрову теорію крила. Ці теорії були основою проекту- вання вентиляторів і насосів. Український академік Г.Ф.Проскура дуже плід- но працював у галузі теорії газових і водяних турбін, осьових насосів і комп- ресорів. Великий внесок у справу розвитку гідравлічних і аеродинамічних машин зробили такі вітчизняні вчені: С.А. Чаплигін, І.І. Куколевський,

9

Г.Ф. Проскура, А.А. Ломакин, С.С. Руднев, К.А. Ушаков, М.Н. Френкель, В.Ф. Рис, а з зарубіжних – Пфлейдерер, Цейнер, Стодола, Шинлей, Екк.

ВУкраїні над питанням вдосконалення нагнітачів працюють вчені, вина- хідники, конструктори, інженери багатьох наукових, проектно- конструкторських, промислових підприємств. Велику кількість нагнітачів різних розмірів і модифікацій виготовляє Сумське машинобудівне об’єднання, Бердянський завод „Південгідромаш”, Сумське об’єднання „На- сосенергомаш” та інші машинобудівні підприємства.

Втеперішній час здійснюється перехід від створення окремих конструк- цій до розробки і випуску стандартних і уніфікованих рядів машин, які здатні задовольнити різних споживачів. Ряди цих машин повинні мати металоєм- ність і габаритні розміри на 10...15% менші існуючих, з гарантованим ресур- сом роботи в 20...25 тис. годин, тобто в 2...2,5 рази вищім, ніж у раніш ство- рюваних. Наприклад, спроектовано крупний відцентровий насос з діаметром робочого колеса 4 м, одиничною потужністю 40 тис. кВт, з подачею 63 м3/с і напором 53 м. Ця машина призначена для Південно-Українського енерго- комплексу.

Вентилятори випускають на різні тиски і подачі, розміри їх робочих коліс бувають від 30 мм до 5 м. Створені унікальні конструкції

Компресори, як насоси і вентилятори, є найбільш розповсюдженими енер- гетичними машинами. Вони є невід’ємною частиною газотурбінних устано- вок. Без компресорів неможлива подача природного газу на великі відстані. Одинична потужність компресора досягає 50000 кВт. Останнім часом, вста- новлена потужність всіх насосів, компресорів і вентиляторів досягає 20% від встановленої потужності всіх електростанцій держави.

1.2Поняття про гідравлічні машини та установки.

Вгідравлічних машинах механічна енергія рідини перетворюється у меха- нічну енергію двигуна, або ж механічна енергія двигуна перетворюється на енергію переміщуваної рідини

Гідравлічна машина, в якій в результаті обміну енергією виникає перетво- рення енергії рідини в механічну енергію (обертання валу, зворотно- поступального руху і ін.) називається турбіною або гідродвигуном.

Гідравлічна машина, в якій механічна енергія перетворюється в енергію рідини називається нагнітачем. Це насоси і аеродинамічні машини.

Вентилятором називається повітродувна машина, яка призначена для по- дачі повітря або іншого газу під тиском до 15 КПа при організації повітрооб- міну. Ступінь підвищення тиску ε = р2/р1– це відношення тиску газу на вихо-

ді з машини до тиску газу на вході. Для вентиляторів ε < 1,15.

Компресор - це енергетична машина або пристрій для створення тиску та переміщення газу або їхніх сумішей. Тиск компресорів не нижче 0,3 МПа. Компресори мають штучне охолодження і ε > 1,15. Саме повітродувні маши- ни мають тиск до 0,3 МПа, ε > 1,15; але штучне охолодження відсутнє.

10