Метод. указания КАТК _2010_
.pdfМИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования
«Красноярский авиационный технический колледж гражданской авиации»
РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СКЛАДА ГСМ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к курсовой работе по курсу «Гидравлика»
Красноярск 2010.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Для гидравлической системы перекачивания топлива из резервуара в железнодорожную цистерну и топливозаправщик (рис. 1) необходимо выбрать насос, определить расходы жидкости в трубопроводах и абсолютное давление на входе в насос.
Д |
zГ-Д
Е
zГ-Е
Г
zВ-Г
В
Б
zА-Б
А
Рис.1. Гидравлическая схема перекачивания топлива
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
-свойства жидкости;
- диаметр di и длины Li элементов трубопровода;
-высоты подъема жидкости zi ;
-характеристики насосов.
2
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДАХ
Графоаналитический метод расчет трубопровода с насосной системой подачи заключается в совместном построении (в одном и том же масштабе и на одном графике) двух кривых: кривой потребного напора Hпотр=f1(Q) и характеристики насоса Hнас=f2(Q) и в нахождении точки их пересечения (рис. 2). Точка пересечения кривых называется рабочей точкой, так как она определяет рабочий режим насоса – его напор Hпотр= Hнас и подачу Q.
Кривая потребного напора простого трубопровода
Кривой потребного напора называется график зависимости потребного напора от расхода жидкости в трубопроводе. Для простого трубопровода постоянного сечения (рис. 3) длиной L, произвольно расположенного в пространстве и содержащего ряд местных гидравлических сопротивлений, потребным напором Hпотр называется пьезометрический напор p1 / γ в на-
чальном сечении, обеспечивающий расход жидкости в трубопроводе. Из уравнения Бернулли, записанного для начального и конечного сечений трубопровода, получим:
|
|
|
|
|
H |
потр |
= p / γ = |
z′ + ∑ h |
|
|
|
(1) |
|||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где z′ = z |
2 |
− z + p |
2 |
/ γ - статический напор; ∑ h - суммарные потери напора. |
|
|
|
|
|||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
H |
Характеристика |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
насоса |
|
|
|
|
|
|
|
|
ζ2 |
2 |
p |
2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Рабочая |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
точка |
|
|
|
ζ1 |
L,d |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
z2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||
Кривая потребного |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
z |
|
1 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
напора |
|
Q |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис.2. Графическое определение |
Рис.3. Схема простого трубопровода |
|
|
||||||||||||
|
|
рабочей точки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Суммарные потери напора складываются из двух составляющих: потери напора на трение и потери напора в местных сопротивлениях:
∑h = hтр + hм.
Потери напора на трение определяются по формуле Дарси
h = λ |
L |
|
V 2 |
(2) |
тр
d 2g
где λ – коэффициент трения, L и d– длина и диаметр трубопровода (м). Потери напора в местных сопротивлениях
h = Σζ |
V 2 |
(3) |
м |
2g |
|
где ζ – суммарный коэффициент местных сопротивлений.
3
Коэффициент трения λ зависит от числа Рейнольдса и относительной эквивалентной шероховатости и находятся по известным зависимостям [2]:
Re < 2300 |
λ = |
64 |
|
Re |
|||
|
|
2300 < Re < 20 |
|
d |
|
λ = |
0.3164 |
|
|
|||||||
|
|
э |
Re0.25 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
d |
< Re < |
|
|
|
d |
|
|
|
68 |
0.25 |
|||
20 |
|
500 |
|
|
λ = 0.11 |
|
э |
+ |
|
|||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
э |
|
|
|
|
э |
|
d |
|
Re |
||||
|
Re > 500 |
d |
|
|
|
0.25 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
λ = 0.11 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
э |
|
|
d |
|
Значения коэффициента местного сопротивления ζ для гидравлических систем [2]:
Вид местного сопротивления |
ζ |
внезапное сужение (выход из бака) |
0.5 |
внезапное расширение (вход в бак) |
1.0 |
колено (резкий поворот на 90°) |
1.5 |
отвод (плавный поворот на 90°) |
0.1÷0.5 |
клапан обратный |
2÷3 |
вентиль |
1÷4 |
фильтр сетчатый |
2÷3 |
тройники с соединением и разделением потоков |
0.9÷1.5 |
Задавая ряд значений расхода определяют Hпотр, строят кривую потребного напора (см. рис.2).
Кривая потребного напора сложного трубопровода 1. Последовательное соединение труб.
При последовательном соединении труб, имеющих разные диаметры и содержащих разные местные сопротивления (рис.4-а), расход жидкости во всех сечениях будет одинаковый, а суммарная потеря напора от начального сечения до конечного определяется суммой потерь напора во всех трубопроводах
Q = Q1 = Q2 = Q3 ;
(4)
∑ h = ∑ h1 + ∑ h2 + ∑ h3 .
Для построения кривой потребного напора всего последовательного соединения следует сложить ординаты всех трех кривых при равных абсциссах (см. рис.4-а).
2. Параллельное соединение труб.
Параллельно соединенные трубопроводы, имеющие различные диаметры и длины и содержащие разные местные сопротивления (рис.4-б), рассчитывают по следующим уравнениям
Q = Q1 + Q2 + Q3 ;
(5)
∑ h1 = ∑ h2 = ∑ h3 .
Для построения характеристики параллельного соединения нескольких трубопроводов нужно сложить абсциссы (расходы) характеристик этих трубопроводов при одинаковых ординатах (Σh) (см. рис.4-б).
4
|
|
|
Q1 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
Q2 |
|
|
|
Q |
2 |
L1,d1 L2 ,d2 |
L3 ,d3 |
|
Q3 |
|
3 |
Σh |
∑ |
Σh |
|
|
|
|
1 2 |
3 |
∑ |
||
Σh1 |
|
|
|||
Σh2 3 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
Q2 |
|
Q1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
Q1 |
Q2 |
|
Σh1 |
Σh2 |
|
|
|
|
|
Q |
|
|
Q |
|
а) |
|
|
б) |
||
|
|
|
|
Рис.4. Последовательное (a) и параллельное (б) соединение трубопроводов
3. Разветвленный трубопровод.
Разветвленный трубопровод – совокупность нескольких труб, имеющих одно общее сечение – место разветвления или смыкания этих труб. Такие трубопроводы обычно имеются в самолетных топливных системах (основных и заправочных) и в системах гидропередач, а также в стационарных системах подачи топлива на аэродромах. Для трубопровода, показанного на рис.5, справедлива система четырех уравнений с четырьмя неизвестными: Q1, Q2 , Q3 ,
Q = Q1 + Q2 + Q3 ;
H |
потр |
= z |
′ |
+ k Qm ; |
|
|
1 |
1 1 |
|
||
H |
потр |
= z |
′ |
+ k Qm |
; |
|
|
2 |
2 2 |
|
|
|
|
|
′ |
m |
|
H потр = z3 |
+ k3Q3 . |
Решение удобно выполнить графически, для этого для каждого из трубопроводов строится зависимости Hпотр от Q по приведенным выше уравнениям, а затем выполняется их сложение так же, как складываются характеристики параллельно соединенных труб. Полученная кривая представляет собой кривую потребного напора для разветвленного трубопровода (см. рис.5).
H потр
|
2 |
∑ |
|
1 |
|
1 |
|
3 |
|
|
|
Q1 Q2 2 |
z1 |
|
|
|
|
Q |
z2 |
|
Q3 |
z3 |
Q |
3 |
|
Рис.5 Построение кривой потребного напора разветвленного трубопровода
5
Характеристика насоса
Характеристика насоса – графическая зависимость напора, мощности и КПД насоса от подачи, обычно получаемая в результате нормальных испытаний насоса (рис.6). Зона характеристики насоса, в пределах которой рекомендуется длительная его эксплуатация, называется рабочей частью характеристики (ограничена знаком s на рис.6). Рабочая часть характеристики, как правило, определяется зоной допустимого снижения КПД от оптимального режима.
H , H N ,
η
N
η
Qопт Q
Рис.6. Характеристики насоса Подбор необходимого насоса и отыскание его марки производится по сводным графикам подач и напоров, приведенным в специальных каталогах.
Для перекачивания бензина, керосина, дизельного топлива, питьевой воды и спирта используют вихревые самовсасывающие одноступенчатые насосы ВС-80. Перекачиваемые жидкости должны иметь вязкость не более 2×10-5 м2/с, температуру от -40 до +50° С и плотность не более 1000кг/м3.
Насос предназначен для использования в электронасосных агрегатах и автоцистернах и выпускаются соответственно в двух модификациях: ВС-80 – для электронасосных агрегатов, ВС-80.1 – для автоцистерн. Каждая модификация выпускается как правого так и левого вращений. По параметрам и присоединительным размерам насос ВС-80 идентичен насосу СВН-80А по ТУ26-06-1551-89.
6
Определение параметров насоса и расходов в разветвленных трубопроводах
Если насос подает жидкость в два резервуара, расположенные на разных уровнях (рис.7), то требуется определить режим работы насоса и расходы в обоих ответвлениях.
H
|
|
Ннас |
|
|
|
|
BD |
BC |
|
|
|
D |
|
|
|
|
BC+ BD |
|
|
|
C |
|
|
|
|
QВD |
|
|
|
zD |
|
|
Н |
|
B |
QBC |
|
||
|
zС |
|
|
|
|
zB A` |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
QАВ= QВD+QBC |
Q |
Рис.7. Определение режима работы насоса на разветвленную сеть
Запишем уравнения движения жидкости по трубопроводам АВ, ВС и BD. Трубопровод АВ.
Напор насоса, установленного в трубопроводе, расходуется на подъем жидкости на высоту zB , создание в точке В пьезометрического напора pB / γ и на преодоление гидравлических
потерь hAB в трубопроводе АВ (скоростным напором в сечении В пренебрегаем):
H нас = zB + pB / γ + hAB ,
отсюда
z |
B |
+ p |
B |
/ γ = H = H |
нас |
− k |
AB |
QmAB . |
(6) |
|
|
|
|
|
|
Построим график зависимости между напором H в узловой точке В и расходом в трубопроводе АВ. Для этого, согласно уравнению (6), необходимо из ординат характеристики насоса
H нас = f (Q) вычесть гидравлические потери в трубопроводе АВ. В результате получим характеристику насоса, приведенную к точке В (штриховая линия на рис.7).
Трубопровод ВС.
Из уравнения Бернулли, записанного для сечений В и С, получим
z |
B |
+ p |
B |
/ γ = H = z |
C |
+ h |
= z |
C |
+ k |
BC |
QmBC . |
(7) |
|
|
|
BC |
|
|
|
|
Прибавив к постоянной величине zC гидравлические потери hBC в трубопроводе ВС, получим график ВС зависимости между H и расходом в трубопроводе ВС.
Трубопровод ВD.
Уравнение движения жидкости по трубопроводу ВD такое же, как и для трубопровода ВС:
H = z |
D |
+ h |
= z |
D |
+ k |
BD |
QmBD . |
(8) |
|
BD |
|
|
|
|
7
Прибавив к постоянной zD ординаты кривой зависимости гидравлических потерь hBD в
трубопроводе ВD от расхода, получим кривую ВD, представляющую собой зависимость между H и расходом в трубопроводе ВD.
Расход в трубопроводе АВ равен сумме расходов в трубопроводах ВС и ВD: |
|
QAB = QBC + QBD . |
(9) |
Постоим кривую ВС+ВD зависимости H от суммы расходов в трубопроводах ВС и ВD. Для этого необходимо суммировать кривые ВС и ВD по горизонтали. Насосная установка работа-
ет при таком значении H , при котором расход в трубопроводе АВ равен сумме расходов в трубопроводах ВС и ВD, т.е. при котором абсциссы суммарной кривой ВС+ВD и приведен-
ной характеристики насоса одинаковы. Такому условию удовлетворяет точка пересечения этих кривых. Абсцисса точки пересечения равна расходу в трубопроводе АВ и, следователь-
но, подаче насоса. Ордината равна H . Зная подачу насоса, по его характеристике
H нас = f (Q) определяем напор H . Зная напор H в точке В, можно найти расходы в тру-
бопроводах ВС и ВD. Для этого следует через точку пересечения провести горизонтальную линию до пересечения с кривыми ВС и ВD. Абсциссы точек пересечения дадут необходимые расходы в ответвлениях ВС и BD.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ВХОДЕ В НАСОС
Уравнение Бернулли, записанное для потока жидкости во всасывающем трубопроводе (для сечений А и А`) (см. рис. 7), имеет следующий вид:
p |
|
/ γ = z |
|
+ p |
|
/ γ + α |
|
VA'2 |
+ Σh , |
(10) |
|
A |
A' |
A' |
A' 2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
где p A , p A' - абсолютные давления; Sh - суммарные гидравлические потери во всасывающем трубопроводе.
Искомой величиной является давление на входе в насос p A' , которое сравнивается с мини-
мально допустимым его значением при условии отсутствия кавитации в насосе. Это давление зависит от типа насоса и условий его работы (в работе принять, что p A' ³ 1,5* pн.п., где
pн.п. - давление насыщенных паров).
Если найденное давление p A' оказалось меньше допустимого, то его следует повысить, уве-
личив диаметр входного трубопровода, и тем самым уменьшить скоростной напор и потери напора в трубопроводе.
Диаметры трубопроводов выбираются из стандартных значений (мм):
Основной ряд |
4, 5, 6.3, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100 |
|
|
Дополнительный ряд |
14, 18, 22, 28, 36, 45, 56, 67, 71, 75, 85, 90, 95 |
|
|
8
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТ
1.Гидравлическая система, представленная на рис. 1, представляет собой сложный трубопровод. Для графоаналитического решения такого трубопровода следует разбить его на простые участки постоянного сечения без разветвлений (участки А-Б, В-Г, Г-Д
иГ-Е).
2.Как показано на рис. 5, для построения кривой потребного напора разветвленного трубопровода следует построить кривые потребного напора для простых участков после точки разветвления (в рассматриваемой задаче участки Г-Д и Г-Е).
3.Алгоритм построения кривой потребного напора участка Г-Д:
a.рассчитать площадь сечения трубы S= πd2/4;
b.определить виды местных сопротивлений на участке Г-Д и их коэффициенты, рассчитать Σζ;
c.задать 5-8 значений скорости жидкости в трубе в диапазоне от 0 до 25 м/с;
d.для каждого значения скорости последовательно определить скоростной напор, расход жидкости, число Рейнольдса, коэффициент трения, потери напора и потребный напор ;
e.Результаты расчетов необходимо внести в таблицу:
V |
V2/2g |
S |
Q |
Q |
Re |
λ |
hтр |
Σζ |
hм |
Σh |
Hпотр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м/с |
м |
м2 |
м3/с |
л/с |
– |
– |
м |
- |
м |
м |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f.На масштабно-координатной (миллиметровой) бумаге формата А-3 построить кривую потребного напора Hпотр(Q), причем расход в л/с.
4.Алгоритм расчета и построения кривой потребного напора участка Г-Е аналогичен.
5. Построить кривую потребного напора разветвленного трубопровода ГЕ+ГД
(см. рис. 5 и 7).
6.Определить суммарные потери напора на участках А-Б и В-Г при 5-8 значениях расхода (от 0 до суммарного значения максимальных расходов на участках Г-Д и Г-Е). Результаты занести в таблицы по форме:
Q |
Q |
S |
V |
V2/2g |
Re |
λ |
hтр |
Σζ |
hм |
Σh |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
л/с |
м3/с |
м2 |
м/с |
м |
– |
– |
м |
- |
м |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7.Согласовать с преподавателем или самостоятельно выбрать насос с учетом его характеристик.
8.Построить на графике в том же самом масштабе напорную характеристику выбранного насоса Hнасос(Q). Построить характеристику насоса по КПД η(Q), соблюдая принятый ранее масштаб по Q.
9
9.Построить на графике характеристику насоса, приведенную к точке Г, для чего от напорной характеристики насоса отнять ShА-Б и ShВ-Г (см. рис. 7)
10.Точка пересечения приведенной характеристики насоса и кривой потребного напора разветвленного трубопровода является искомой рабочей точкой.
11.Определить расходы на каждом участке трубопровода, напор и КПД насоса.
12.В случае отклонения КПД от максимального более чем на 10% следует выбрать другой насос и повторить п.п. 7-11.
13.Рассчитать давление абсолютное давление на входе в насос. В случае несоблюдения условия pБ ≥ 1,5×pн.п. следует увеличить диаметр трубопровода А-Б, и повторить п.п. 6-13.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА:
1.гидравлическая схема;
2.номер варианта и исходные данные;
3.краткое теоретическое введение с обзором выбранного способа решения поставленной задачи графоаналитическим методом;
4.результаты расчета для каждого участка, причем, кроме таблиц, следует привести полный расчет не менее чем для одного значения расхода с аргументацией используемых формул, выбранных коэффициентов и т.п.;
5.характеристика насоса с аргументацией его выбора;
6.расчет давления на входе в насос;
7.графики на миллиметровой бумаге;
8.выводы.
Рекомендации:
1.Давление в резервуарах принять равным атмосферному.
2.Трубы считать гидравлически гладкими.
3.При округлении результатов промежуточных расчетов следует оставлять не менее трех значащих цифр. Например, если при расчете λ=0,0123548, то округлить и поставить в таблицу следует λ=0,0124.
4.Результаты итоговых расчетов Hпотр (м) и Q (л/с) следует округлять до одного знака после десятичной запятой.
5.Выбор масштаба при построении графиков:
a.по оси ординат (Hпотр): min – 0; max – наибольшее значение Hпотр из таблиц результатов расчета участков Г-Д и Г-Е
b.по оси абсцисс (Q): min – 0; max – удвоенное наибольшее значение Q из таблиц
10