Методичка Гидравлика

перемещения единицы веса жидкости из одного сечения в другое. Энергия потока, израсходованная на работу сил трения, превращается во внутреннюю энергию и рассеивается в жидкости. Необходимо иметь представление о диаграмме Бернулли.

В гидравлике широко применяется метод моделирования, когда исследуется не само явление или установка, а их модель, обычно меньших размеров. Основой моделирования является теория гидродинамического подобия. Для установившегося движения однородных несжимаемых жидкостей необходимым и достаточным условием гидродинамического подобия является геометрическое,

кинематическое и динамического подобия потока.

Для полного гидродинамического подобия необходима пропорциональность всех сил, действующих в потоке, но подобие по одним силам часто исключает подобие по другим силам. Поэтому считается достаточным получение приближенного подобия по силам, преобладающим в данном потоке. Критериями такого подобия являются критерий Рейнольдса

(преобладание сил трения), критерий Фруда (силы тяжести), критерий Эйлера

(силы давления).

Вопросы для самопроверки

1. Укажите различие между уравнениями Эйлера и уравнениями Навье – Стокса. 2. Чем обусловлена необходимость использования численных методов при решении как уравнений Навье – Стокса, так и уравнений Рейнольдса? 3. Для каких режимов движения жидкости применимы уравнения Навье – Стокса и уравнения Рейнольдса? 4. Поясните общую схему применения численных методов к решению дифференциальных уравнений. Каковы особенности реализации данных методов на ЭВМ? 5. Запишите уравнение Бернулли для элементарной струйки (потока) идеальной жидкости. Каков физический смысл входящих в него слагаемых? 6. Чем обусловлены различия в записи уравнений

21

Бернулли для идеальной и несжимаемой вязкой жидкостей? 7. Объясните наблюдаемую вариативность размерности слагаемых в различных формах записи уравнения Бернулли. 8. Поясните порядок построения диаграммы Бернулли.

Какова ее практическая значимость? 9. Каковы условия однозначности; их предназначение? 10. Каковы достоинства диаграммы Бернулли? 11.

Сформулируйте условия гидродинамического подобия потоков жидкости. 12.

Объясните физический смысл критериев Рейнольдса, Фруда и Эйлера.

ТЕМА 6. Одномерные потоки жидкостей и газов

Потери напора на трение по длине трубопроводов. Потери напора на местных сопротивлениях. Формулы для определения потерь напора, их анализ.

Особенности определения коэффициентов гидравлического трения. Краткая классификация трубопроводов. Основное уравнение простого трубопровода.

Характеристика простого трубопровода. Три задачи по расчету простого трубопровода. Последовательное и параллельное соединение труб.

Гидравлический удар в трубопроводах и меры борьбы с ним. Истечение жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре истечения. Виды насадок. Особенности истечения жидкости через внешний цилиндрический насадок при постоянном напоре истечения.

[1, с. 61-92], [2, с. 57-79], [7, с. 160-166, 174-176, 183-220, 256-263], [9, с. 93-119]

Потери напора на трение при равномерном напорном движении жидкости в трубах определяются по формуле Дарси – Вейсбаха. В ней коэффициент гидравлического трения учитывает влияние на потери тех факторов, которые не учтены данной формулой.

Уяснить различие между равномерной, неравномерной и относительной шероховатостями трубопроводов. Знать характерные области на графике Никурадзе. Уметь объяснить, почему одна и та же труба может быть и гидравлически гладкой, и гидравлически шероховатой. Уметь определить для каждой области гидравлический коэффициент трении по известным формулам

22

Пуазейля, Блазиуса, Альтшуля, Шифринсона, по графикам Никурадзе, Мурина.

Знать формулу Вейсбаха для определения потерь напора на местных сопротивлениях. Ознакомиться по рекомендуемой литературе с типичными местными сопротивлениями, а также с особенностями определения коэффициентов местных сопротивлений.

Иметь представление о классификации трубопроводов.

Простым трубопроводом называется напорный трубопровод постоянного внутреннего диаметра, выполненный из одного и того же материала без разветвлений. Все остальные трубопроводы считаются сложными. Знать основное уравнение простого трубопровода. Знать особенности решения трех задач по расчету простого трубопровода. Иметь ясное представление о том, что под характеристикой трубопровода понимается график зависимости потребного напора от объемного расхода жидкости в трубопроводе. Уяснить особенности расчета труб при их последовательном и параллельном соединении.

Понять причины возникновения гидравлического удара в трубопроводах.

Знать формулу Н. Е. Жуковского для определения величины ударного повышения давления при мгновенном закрытии затвора. Проанализировать формулу Н. Е.

Жуковского для вычисления скорости распространения ударной волны,

зависящей от упругих свойств жидкости и трубопровода. Ознакомиться с методами борьбы с гидроударом.

Рассмотреть особенности истечения жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре истечения. Уяснить понятия «малое отверстия», «тонкая стенка», «напор истечения», «совершенное и несовершенное сжатие струи». Уметь вывести формулы для определения средней скорости и объемного расхода жидкости при ее истечении через малое отверстие в тонкой стенке. Понять физический смысл коэффициентов скорости и расхода, знать причины сжатия струи.

Уяснить понятие насадки, знать конструктивные виды применяемых насадков, рассмотреть процесс истечения жидкости через внешний

23

цилиндрический насадок. Уметь объяснить, почему объемный расход жидкости через внешний цилиндрический насадок в докритическом режиме выше по сравнению с истечением через малое отверстие в тонкой стенке.

Вопросы для самопроверки

1.Чем обусловлено наличие потерь напора на трение по длине трубопроводов? 2. Может ли одна и та же труба быть как гидравлически гладкой,

так и гидравлически шероховатой и почему? 3. Области гидравлического трения на графике Никурадзе. Каковы их особенности? 4. Дайте определение местного сопротивления. Что ответственно за необратимые потери части полной механической энергии потока при их прохождении? 5. По какой причине потери напора на трение и на местных сопротивлениях определяются в долях удельной кинетической энергии потока жидкости? 6. Что понимают под простым трубопроводом? 7. В чем различия между решениями второй и третьей задач по расчету простого трубопровода? 8. Дайте определение характеристики простого трубопровода. Что ответственно за ее кривизну? 9. Чем обусловлено различие в расчетах труб при их последовательном и параллельном соединении? 10. Чем отличается полный гидравлический удар от неполного гидравлического удара и почему? 11. Каковы меры борьбы с гидроударом? 12. По какой причине происходит сжатие струи при истечении жидкости через малое отверстие в тонкой стенке? 13. Почему коэффициенты скорости и расхода по своей величине всегда меньше единице? 14. Чем обусловлен достигаемый положительный эффект при использовании внешнего цилиндрического насадка?

ТЕМА 7. Гидравлические машины

Назначение и краткая классификация гидравлических машин. Устройство и принцип работы типовых гидромашин. Основные параметры насосов.

24

Характеристики насосов. Работа насоса на сеть. Рабочая точка. Регулирование работы насосов.

[1, с. 93-120], [2, с. 89-153], [9, с. 125-144, 148-164]

К гидравлическим машинам относятся насосы и гидродвигатели. Насосом называется гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию привода в механическую энергию перекачиваемой жидкости. В гидравлическом двигателе происходит преобразование механической энергии потока жидкости в механическую работу на выходном валу.

Все типы насосов, несмотря на многообразие их конструктивных форм, по принципу действия (т.е. по способу передачи жидкости механической энергии)

делятся на две группы: динамические (лопастные) и объемные (насосы вытеснения).

В объемных насосах передача механической энергии жидкости осуществляется изменением объемов их рабочих камер. Объемные насосы делятся на классы: 1) поршневые – с возвратно-поступательным движение вытеснителя (поршня или плунжера) и клапанным распределением жидкости; 2)

роторные – с вращательным движением вытеснителей или замыкателей

(например, поршней плунжеров, зубьев шестерен, лопаток или пластин) и с бесклапанным распределением жидкости.

В отличие от лопастных насосов в объемных насосах жидкости сообщается потенциальная энергия давления при практически неизмененной кинематической энергии жидкости. В этих насосах подача и напор независимы друг от друга,

насосы характеризуются неравномерностью подачи и пульсацией давлений.

Работа лопастных насосов основана на силовом взаимодействии лопастей с обтекающим их потоком. При вращении рабочего колеса в потоке жидкости возникает разность давлений по обе стороны каждой лопатки. Силы давления лопастей на поток создают вынужденное вращательное и поступательное движение жидкости, увеличивая ее давление и скоростной напор, т.е.

механическую энергию. Приращение энергии потока жидкости в лопастном

25

колесе (напор насоса) зависит от сочетания скоростей протекания потока, частоты вращения колеса, его размеров, формы лопаток, т.е. от сочетания конструкции,

размеров, частоты вращения и подачи насосов. Таким образом, главная особенность и отличие лопастных насосов от объемных состоят в том, что напор и подача у этих насосов взаимосвязаны, а подача непрерывна.

Созданная еще в середине XVIII в. Л. Эйлером приближенная струйная теория лопастных машин до настоящего времени является основой для их расчета. Сложность гидродинамических явлений, которые возникают при протекании жидкости в рабочих органах насоса, привела к теоретической модели идеального рабочего колеса с бесконечным числом бесконечно тонких лопастей.

На основе струйной теории Л. Эйлером получено основное уравнение лопастных насосов, дающее зависимость теоретического напора от треугольников скоростей на выходе и входе рабочего колеса. С целью удовлетворительного согласования теории с данными опыта в формулу действительного напора вводятся поправки на конечное число лопаток и на гидравлические потери. Следует обратить внимание на вывод основного уравнения, которое может быть получено из уравнения Бернулли для относительного движения или из теоремы моментов количества движения.

Различают теоретические и действительные характеристики лопастных насосов. Из-за сложности протекания жидкости через рабочие органы насоса точную взаимосвязь основных параметров работы насоса удается получить только экспериментально. В результате испытаний насосов получают их действительные характеристики – кривые зависимости напора, подачи,

затраченной мощности, КПД и частоты вращения насоса. Характеристики дают достаточно полное представление об эксплуатационных качествах насосов и позволяют решать вопросы, связанные с их выбором, эксплуатацией и проектированием.

Студенту необходимо уяснить методику получения рабочих и универсальных характеристик, их использование для определения оптимальных

26

режимов работы действующих насосов, для выбора новых насосов, определения режимов совместной работы на общую сеть, а также для определения условий работы при изменении частоты вращения и размеров насоса.

Необходимо знать способы регулирования работы насосов.

При создании новых образцов лопастных машин проводятся их лабораторные исследования и доводка на моделях. Для перехода от данных,

полученных на моделях, к натурным насосам используется общая теория гидродинамического подобия потоков в применении к лопастным машинам.

Следует уяснить условия применимости теории подобия к лопастным насосам, а

также усвоить формулы пересчета основных параметров насосов при изменении размеров и частоты вращения.

При проектировании насосов одни и те же значения подачи и напора могут быть получены в насосах с различной частотой вращения. При этом конструктивный тип рабочего колеса и всей проточной части насоса будет также различен. Для характеристики конструктивного типа насосов служит коэффициент быстроходности (удельная частота вращения); величина его определяет также область применения насосов. Студенту следует знать, по какой формуле вычисляется коэффициент быстроходности, на какие типы подразделяются лопастные насосы в зависимости от его величины. Величина коэффициента быстроходности зависит не только от частоты вращения, но от напора и подачи насоса. Поэтому не всегда насосы с большой частотой вращения имеют больший коэффициент быстроходности.

Отрицательное влияние на работу центробежных насосов оказывает кавитация, возникающая в результате снижения давления при входе жидкости на рабочее колесо центробежного насоса ниже давления парообразования. Студент должен знать физическую сущность явления кавитации и меры, необходимые для избежания этого вредного явления.

Вопросы для самопроверки

27

для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости под давлением. По назначению гидроприводы тракторов и сельскохозяйственных машин подразделяются на три основные группы: гидроприводы рабочих органов,

гидроприводы дистанционного управления и гидроприводы ходовой части гидротрансмиссии. Студенту необходимо иметь представление о составных элементах гидропривода, знать о его достоинствах и недостатках в сравнении с механическими приводами.

Основным элементом гидропривода является гидропередача.

Гидравлические передачи подразделяются на две группы: гидродинамические и гидростатические (или объемные).

Гидродинамической передачей называют совокупность механизмов и систем, передающих механическую энергию от двигателя к потребителю посредством потока жидкости. Гидродинамические передачи, обязательно включающие в свой состав насосную и турбинную части, широко используются в сложных сельскохозяйственных машинах при передаче энергии между валами,

вращающимися с различными и переменными в процессе работы частотами вращения.

Необходимо уяснить устройство и принципы работы гидромуфты и трехколесного гидротрансформатора, их достоинства и недостатки, параметры,

характеризующие преобразующие свойства и их взаимную связь.

Под объемным понимается такой гидропривод, основой которого является гидростатическая передача. Объемная передача включает в свой состав объемный насос, объемный гидродвигатель, регулирующую, распределительную и предохраняющую аппаратуру и магистральные линии. Необходимо уяснить принцип действия и основные силовые и скоростные параметры объемных гидроприводов.

Студент должен иметь представление о коэффициенте полезного действия гидро- и пневмоприводов, а также о методах расчета передаточных чисел и усилий в приводах. Рабочей жидкостью для гидропередач служат , как правило,

29

минеральные масла, реже специальные жидкости и вода. Необходимо ознакомиться с требованиями, предъявляемыми к рабочим жидкостям, их эксплуатационным свойствам, областью применения.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы преимущества и недостатки гидропривода в сравнении с механическими приводами? 2. Поясните принцип и особенности работы гидродинамической муфты. 3. Каковы преимущества и недостатки применения гидромуфты в системе силового привода? 4. Какие способы регулирования работы гидромуфты вам известны? 5. Поясните устройство, принцип действия и особенности работы гидротрансформатора. 6. Какие параметры,

характеризующие преобразующие свойства гидротрансформатора Вам известны? 7. Из каких основных частей состоит объемный гидропривод? 8. Что такое открытая и закрытая схема объемного гидропривода? 9. Какие требования предъявляются к рабочим жидкостям? 10. В чем отличие гидропневмопривода от гидропривода? 11. Что понимается под КПД гидропривода?

ТЕМА 9. Гидро- и пневмотранспорт в сельском хозяйстве

Гидро- и пневмотранспорт в сельском хозяйстве: назначение, особенности

устройства и функционирования.

[1, с. 282-291], [2, с. 369-395]

Гидро- и пневмотранспорт – это комплексы устройств и оборудования,

предназначенные для перемещения продуктов сельскохозяйственного

производства, веществ и материалов посредством жидкости или воздуха. Если несущей средой является жидкость, то такой транспорт является гидравлическим,

если несущая среда – газ – пневматическим.

Необходимо знать устройство и принцип работы гидро- и

30