Порядок выполнения работы

1. Заполнить напорный бак (рис.5.3) до уровня переливной трубы.

2. Установить сменный насадок на трубопровод 3.

3. Открыть вентиль 2.

4. С помощью вентилей 4 и 8 добиться того, чтобы уровень в баке был постоянным, при этом в окне 7 будет наблюдаться неболь­шой расход воды. .

5. Измерить и записать напор Н, координаты (х; у) какой-либо точки траектории струи.

6. Зафиксировать время t заполнения определённого объёма мерного бака.

7. Закрыть вентиль 2.

8. Сменить насадок.

9. Повторить пункты 3-7.

10. Все данные измерений занести в соответствующие графы таблицы 5.2.

Таблица 5.2

№	Тип отверстия или насадка			t	T	x	y
	Размерность	м		с		м	м	м/с	-			-	-	-	-
1
2
3

d=10мм

Значение вязкости берётся из графика на рис.2.3

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

В настоящей работе определение действительной скорости истечения производится с помощью измерения координат свободной струи, истекающей из отверстия или насадка. Суть этого способа заключа­ется в следующем.

Если пренебречь сопротивлением, которое оказывает воздух движущейся свободной струе, вытекающей горизонтально, то можно считать, что траектории частиц жидкости представляют собой па­раболы и выражаются уравнением:

,

откуда действительная скорость истечения υ определяется как:

Таким образом, если за начало отчёта взять точку, лежащую в центе сечения среза насадка, то для определения скорости достаточно измерить координаты х, у одной произвольно взятой точки на оси струи. Это измерение производится с помощью щита 10. Напор Н определяется с помощью пьезометра 9.

По формулам (5.7), (5.8) и (5.18) находятся теоретическая, действительная скорость истечения и скоростной коэффициент . По формуле (5.11а) подсчитывается теоретический расход воды . Действительный расход рассчитывается по известным значениям объё­ма мерного бака и времени наполнения t по формуле .

По формулам (5.11) и (5.10а) находятся коэффициент расхода и коэффициент сжатия струи .

Результаты обработки опытных данных заносятся в сводную таблицу 5.2.

Оформление работы нужно закончить выводами, в которых необходимо отразить, какие типы насадков являются лучшими по скорос­ти истечения и по расходу жидкости, а также отметить расхождение полученных экспериментальных данных со справочными из таблицы 5.1.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой из коэффициентов зависит от величины потерь при истечении и какой определяется преимущественно сужением струи?

2. Как меняются коэффициенты при истечении жидкости через различные насадки?

Работа № 6

«Определение коэффициента фильтрации»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определение экспериментальным путём коэффициента фильтрации песка в условиях равномерного напорного движения при ламинарном режиме.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Движение жидкости или газа в пористых средах называется фильтрацией. Различают естественные и искусственные фильтрационные по­токи.

Естественный фильтрационный поток, или поток грунтовых вод, образуется в результате инфильтрации в грунт части атмосферных осадков.

Искусственный фильтрационный поток создаётся при решении некоторых технических задач, например, при откачке воды из строи­тельных котлованов, при осушении земляного полотна, при очистке воды на водопроводных фильтрах, при фильтрации воды через земля­ные плотины и т.д.

Движение воды в пористых средах может быть установившимся и неустановившимся, равномерным и неравномерным, напорным и безнапорным, ламинарным и турбулентным.

Поток в пористой среде (грунте) называется напорным, если водопроницаемый слой заключён между двумя водонепроницаемыми слоями, и безнапорным, если водопроницаемый слой только подстила­ется водонепроницаемыми породами.

Движение грунтовой воды в песках и водопроницаемых глинистых грунтах является ламинарным. Турбулентное движение грунтовой воды может получиться только в крупнозернистых грунтах (в гравии, гальке), а также в случае каменной наброски, трещиноватой скалы и т.п.

Рассмотрим движение (фильтрацию) воды в трубе, заполненной фильтрующим материалом (рис.6.1).

В сечении А-А можно различить три разные площади:

а) площадь сечения пор грунта , эту площадь можно рас­сматривать как площадь действительного "живого сечения" потока;

б) площадь сечения частиц грунта , через эту площадь вода в действительности не проходит;

в) площадь сечения всей трубы S - геометрическая площадь.

Очевидно, что:

(6.1)

Рис. 6.1

В практике, без учёта неравномерности распределения скорос­тей в порах (рис.6.2) "действительной" скоростью движения воды в порах называется величина:

(6.2)

где: Q - расход воды, движущейся в трубе.

Рис. 6.2

Скорость фильтрации определяется как:

(6.3)

Как видно, скорость фильтрации есть фиктивная скорость, получающаяся в том случае, если представить, что вода движется не только через поры, но и через тельца частиц грунта, причём расход воды равен заданному (действительному расходу).

Связь между действительной скоростью и скоростью фильтрации:

, (6.4)

где n - коэффициент объёмной пористости грунта (пористость грун­та)

, (6.5)

где - объём пор грунта;

-объём частиц грунта.

В случае однородного грунта вместо коэффициента объёмной порис­тости грунта n можно пользоваться коэффициентом поверхностной пористости грунта , т.е. они в этом случае равны:

(6.6)

Так как и и всегда меньше единицы, то скорость филь­трации по величине всегда меньше действительной скорости .

Опыты с фильтрацией в песках и глинах показали, что скорость фильтрации в случае установившегося движения может быть представ­лена зависимостью, называемой формулой Дарси и выражающей основ­ной закон ламинарной фильтрации:

(6.7)

(6.8)

где - коэффициент фильтрации; - пьезометрический уклон.

Пьезометрический уклон представляет собой отношение потерь напора на пути фильтрации к длине этого пути :

(6.9)

Коэффициент фильтрации , имеющей размерность скорости (поскольку пьезометрический уклон величина безразмерная), пред­ставляет собой скорость фильтрации при пьезометрическом уклоне = 1. Он в основном зависит от величины и формы частиц грунта, наличия глинистых частиц и от вязкости фильтрующей через грунт жидкости, т.е. от рода жидкости и её температуры.

Как установлено Н.Н.Павловским, закон Дарси, полученный им для ламинарного движения фильтрационного потока, имеет определён­ные границы применимости. Так, например, для воды при обычной температуре при значении кинематического коэффициента вязкости по рекомендациям различных авторов, формулы (6.7) и (6.8) применимы лишь в случаях, когда:

(6.10)

где - средний диаметр частиц грунта, м;

- скорость фильтрации, м/с.

Если условие (6.10) не выполняется, то имеет место турбу­лентная фильтрация, для которой средняя скорость фильтрации мо­жет быть определена зависимостью:

, (6.11)

или

(6.12)

где: . Значение устанавливается эксперимен­тально.

Может быть использован и другой вид эмпирической зависимос­ти для турбулентной фильтрации:

(6.13)

где: a и b - постоянные (для данного грунта и вязкости жидкос­ти) коэффициенты, устанавливаемые экспериментально.

При малых скоростях фильтрации (когда членом можно пре­небречь) зависимость (6.13) обращается в формулу Дарси (если по­ложить, что ), при больших же скоростях (когда можно пренебречь членом ) зависимость (6.13) обращается в формулу:

, (6.14)

отвечающую области квадратичного сопротивления.

Аппроксимирующая зависимость (6.13) более удобна, т.к. сог­ласно этой зависимости для данного грунта и вязкости жидкости пьезометрический уклон является функцией только скорости ; в случае же зависимости (6.12) для доквадратичной области сопротивления величина

.

Коэффициент фильтрации может быть определён тремя методами:

1) Лабораторный метод - определяется в лаборатории на специальном приборе.

2) Расчётный метод - определяется расчётом по особым эмпирическим формулам.

3) Полевой метод - определяется на месте строительства ("в поле") путём откачки воды из специально устроенных колодцев. Следует, однако, отметить, что эмпирические формулы для определения коэффициента фильтрации в настоящее время в практике почти не при­меняются.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка - прибор Дарси (рис.6.3) представ­ляет собой металлическую колонку 8 круглого сечения, заполненную исследуемым грунтом 5, который поддерживается металлической сеткой 3. Вдоль металлической колонки по её высоте установлены два пьезометра П, расстояние между которыми l = 0,50 м.

Чтобы предупредить засорение пьезометра частичками исследуемого грунта, каждый из них при входе снабжён металлической сеткой 4. Оба пьезометра выведены на щиток, нуль шкалы которого совпадает с плоскостью сравнения 0-0, расположенной ниже основания прибора.

Подвод воды осущест­вляется по трубке 1 с вен­тилем 2, который служит для регулирования фильтрацион­ного расхода. Профильтрованная вода сливается по трубке 6 в мерный бак 7, в котором может быть измерена температура воды переносным тер­мометром.

Рис. 6.3

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Открывается регулирующий вентиль 2 на трубке подвода во­ды 1, благодаря чему обеспечивается подвод воды в колонку с испы­тываемым грунтом. Когда фильтрационный расход установится, о чем можно судить по начавшемуся сливу воды через трубку 6 , его измеряют объёмным способом при помощи мерного бака 7 и секундомера.

2. Снимают показания пьезометров П. Поскольку нуль шкалы совпадает с плоскостью сравнения, расположенной ниже основания прибора, показания пьезометров определяют потенциальные напоры

(6.15)

3. Регулирующим вентилем 2 последовательно устанавливается различных фильтрационных расходов и все измерения повторяются.

Результаты измерений заносятся в таблицу 6.2.

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1. По объёму V вытекающей воды и времени для каждого эксперимента подсчитывается фильтрационный расход:

(6.16)

и далее по формуле (3) скорость фильтрации .

2. По разности показаний пьезометров , определяющих потенциальные напоры в сечениях I-I и 2-2, и по расстоянию между ними подсчитываются потери напора на участке фильтрационного потока:

(6.17)

и далее по формуле (6.9) определяется пьезометрический уклон .

3. По скорости фильтрации и пьезометрическому уклону для каждого эксперимента подсчитывают значения коэффициента фильтрации:

(6.18)

Все результаты вычислений заносятся в таблицу 6.2.

Подсчитывается среднее значение коэффициента фильтрации, которое сопоставляется со справочным, приведённым ниже.

№	Грунт	10, м/с
1.	Песок крупнозернистый
2.	Песок мелкозернистый
3.	Супесь плотная
4.	Суглинок
5.	Глина

№ эксперим.
Размерность	м	м		с		м/с	м	-	м/с
1.
2.
3.
4.
5.

Площадь сечения колонки = 0,03265 .

Расстояние между пьезометрами = 0,50 м.

Работа заканчивается выводами о соответствии среднего экспериментального значения коэффициента фильтрации со справочного его значения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие факторы влияют на коэффициент фильтрации?

2. Физический смысл ограничения применимости закона фильтрации - закона Дарси.

Работа № 7

ИСПЫТАНИЯ ЛОПАСТНОГО НАСОСА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Провести испытания лопастного насоса.

2. Построить характеристики насоса.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Характеристикой лопастного насоса называется графическая зависимость основных теоретических показателей (напора, мощ­ности и КПД) от подачи при постоянных значениях частоты вра­щения, вязкости и плотности жидкости на входе в насос.

На рис.7.1 в ка­честве примера приведе­на характеристика цен­тробежного насоса 4K-I8 (буквы и цифры, состав­ляющие марку насоса, оз­начают: 4 - диаметр входного патрубка (мм), уменьшенный в 25 раз; К - консольный; 18 - ко­эффициент быстроходности насоса, уменьшенный в 10 раз и округлённый).

Рис. 7.1

Подачей насоса Q - называется количество жидкости, проходящей в единицу времени:

, (7.1)

где V - объём жидкости, подаваемой насосом за время .

Напором насоса Н - называется разность энергий жидкости на выходе из насоса, и на входе в него. Величина его определяется вы­ражением:

, (7.2)

где: z - высота положения сечения относительно плоскости сравнения;

P - статическое давление;

V - скорость потока;

- плотность потока;

g - ускорение силы тяжести.

Индексы Н и В указывают сечения на нагнетательной и всасывающей магистралях соответственно, к которым относятся перечисленные величины.

Полезная мощность насоса - это мощность, сообщаемая насосом проходящей через него жидкости.

(7.3)

Мощность насоса - это мощность, потребляемая насосом (мощность на валу насоса).

Коэффициент полезного действия насоса представляет собой отношение полезной мощности к мощности насоса :

(7.4)

Теоретическая характеристика лопастного насоса может быть рассчитана по уравнению Эйлера. Однако, вследствие сложности происходящих в насосе процессов, она плохо согласуется с эксперимен­тальной. В связи с этим, для практического использования насосов его характеристику, прилагаемую к паспорту изделия, получают по результатам испытаний. Эти испытания проводятся на специальных стендах.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис.7.2.

Исследуемый центробежный насос 1 через систему трубопроводов включён в замкнутый гидравлический контур, содержащий вентиль 2, расходомер 3 и бак 4. В качестве рабочей жидкости, заполняющей гидравлический контур, используется вода. Вал насоса приводится во вращение от электродвигателя 5 постоянного тока, питаемого от выпрямителя переменного тока 5, подключенного к сети с напряжением 220 В. Для измерения электрической мощности, потребляемой электродвигателем 5, на панели выпрямителя переменного тока установлены вольтметр и амперметр. Частота вращения вала насоса измеряется механическим тахометром 7. Бак 4 служит для заполнения насоса и гидравлического контура жидкостью (уровень жидкости в баке выше уровня всасывающей магистрали насоса) и охлаждения жидкости во время работы насоса.

Рис. 7.2

В качестве расходомера 3, предназначенного для измерения расхода рабочей жидкости, используется ротаметр с металлическим

поплавком. О расходе рабочей жидкости, проходящей через ротаметр, можно судить по высоте подъёма поплавка:

, (7,5)

где h - высота подъёма поплавка,

a и b - коэффициенты, определяемые на основе предварительно проведённой тарировки прибора.

Давление в нагнетательной магистрали (сечение П-П) измеряется манометром 9, а во всасывающей (сечение В-В) - мановакуумметром 8. Причём, мановакуумметр 8 имеет знакопеременную шкалу, то есть он может измерить как избыточное, так и вакуумметрическое давление. Мощность электрического тока , потребляемую электродвигателем 5, замеряют по показаниям вольтметра и амперметра.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Проверить наличие воды в гидравлическом контуре по мерному окну в баке 4.

2. Снять нулевые показатели приборов: мановакуумметра, - манометра 9.

3. Подключить блок питания (выпрямитель электрического тока 6) к сети и установить выходное напряжение в диапазоне от 5 В до 24 В (первый эксперимент рекомендуется проводить при наименьшем напряжении).

4. Закрыть вентиль 2. Это необходимо для того, чтобы пусковой момент был минимальным, так как насос при Q = 0 потребляет минимальную мощность.

5. Включить электродвигатель.

6. Снять показания приборов: манонакуумметра 8, манометра 9, h расходомера 3, n тахометра 7, напряжение U и силу тока I приборов блока питания 6.

7. Приоткрыв вентиль 2, установить некоторую подачу насоса. Снять показания всех приборов. Таким образом, меняя подачу от до (этому режиму соответствует полное открытие вен­тиля 2) устанавливают 8-10 других режимов работы насоса. При каж­дом режиме работы показания приборов заносятся в таблицу.

8. Выключить насос.

9. На блоке питания установить другое напряжение и выполнить пункты 4-8 при другой частоте вращения рабочего колеса насоса.

10. По окончании работы отключить блок питания от сети и про­верить нулевые показания приборов.

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Для построения характеристики центробежного насоса необходимо по данным измерений вычислить значения Q, Н, , , и получить в виде таблиц зависимости:

1. Расход насоса Q определяется по показаниям поплавка ро­таметра и вычисляется по формуле:

, (7.6)

где Q в , если в делениях прибора (зависимость справедлива только при h > 0 ).

2. Напор насоса определяется по формуле (7.2), которую можно переписать так:

(7.7)

В этой формуле величина определяется разностью высот положения сечений на нагнетательной и всасывающей магистра­лях. В данном случае .

Давление находится по показаниям манометра 9 :

, (7.8)

где - высота положения манометра 9 по отношению сечения Н-Н,

- атмосферное давление.

Давление находится по показаниям мановакуумметра 8:

где - высота положения мановакуумметра 8 по отношению сече­ния В-В

и - смещение нуля приборов, вызванное тем, что трубки, соединяющие манометры с сечениями отбора давления, заполнены во­дой.

С учётом уравнений (7.8) и (7.9) и того, что получим

(7.10)

Так как площадь проходных сечений на входе и выходе из насо­са равна, то равны будут и скорости на входе и выходе из насоса .

Окончательно расчётная формула для напора запишется: (7.11)

Плотность воды можно считать постоянной и равной.

3. Мощность, потребляемая насосной установкой:

, Вт (7.12)

где - мощность, подводимая к электродвигателю;

U,I - напряжение и сила электрического тока;

= 0,9 - КПД электродвигателя.

4. Коэффициент полезного действия насосной установки вычисляется при известных Q, Н, N по формуле:

(7.13)

5. По результатам расчета строятся графики:

Результаты вычислений заносятся в соответствующие графы таблицы.

Таблица

№
Размерность
1
2
3

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется характеристикой лопастного насоса?

2. Нарисуйте качественный вид характеристик лопастного насоса.

3. Что называется напором насоса? Каков физический смысл напора насоса?

4. Что называется мощностью насоса и полезной мощностью насоса?

5. Что называется КПД насоса, насосной установки?

Работа № 8

ИСПЫТАНИЯ ОБЬЁМНОГО ГИДРОНАСОСА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Экспериментальное получение внешних характеристик объём­ного гидронасоса.

2. Определение оптимального режима работы насоса.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Характеристиками объёмного насоса называются зависимости по­дачи мощности на валу насоса и коэффициента полезного действия η от давления , развиваемого насосом при посто­янной частоте вращения.

Одним из основных параметров объёмных насосов является ра­бочий объём , который равен суммарному изменению объёма ра­бочих камер за один оборот вала насоса.

Средняя теоретическая подача насоса , обусловленная геометрическими размерами его рабочих органов, равна

, (8.1)

где n - частота вращения вала насоса.

Действительная (эффективная) подача насоса меньше те­оретической из-за утечек, неполного заполнения рабочих камер на­соса и сжимаемости жидкости. Отношение действительной и теорети­ческой подач называется коэффициентом подачи ε, величина которого для несжимаемой жидкости численно равна объёмному КПД насоса:

(8.2)

Полезная мощность насоса , сообщённая жидкости:

, (8.3)

где - давление, создаваемое насосом,

- давление на входе в насос,

- давление на выходе из насоса.

Полный КПД насоса η:

, (8.4)

где: - мощность, подводимая к валу насоса;

- мощность механических потерь, включая потери гидравлического сопротивления.

Можно записать:

, (8.5)

где: - объёмный КПД насоса;

- механический КПД насоса.

Режим работы насоса, при максимальном значении полного КПД называется оптимальным режимом.

Режим работы насоса, обеспечивающий заданные (паспортные) параметры, называется номинальным режимом работы.

На рис.8.1 в качестве примера приведена рабочая характери­стика объёмного насоса.

Рис. 8.1

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установ­ка (рис.8.2) состоит из элек­тромашинного динамометра 1, ис­пытуемого насоса 3, регулиру­емого дросселя 4, нагрузочного клапана 9, предохранительного клапана 8, сливного бака 6 и комплекта измерительных прибо­ров и датчиков.

Электромашинный динамометр 1 представляет собой силовой комплекс, состоящий из электрического шкафа системы Леонардо, вырабатывающий постоянный ток, балансирного электродвигателя постоянного тока, весовой головки, пульта управления и комплекта измерительной аппаратуры.

Балансирный электродвигатель постоянного тока 1.1 установлен на подшипниках 1.11 таким образом, что якорь 1.8 и статор 1.9 двигателя могут свободно проворачиваться относительно друг друга. К статору двигателя 1.9 прикреплён рычаг 1.10, к концу которого присоединена весовая головка 1.4 (силоизмерительное устройство). При включении электрического тока на обмотках ротора и статора появляются магнитные поля. Благодаря взаимодействию этих полей, на роторе и статоре возникает вращающий момент. В си­лу равенства действия и противодействия момент, с которым статор действует на ротор ( ), равен по величине и обращен по направлению моменту, с которым ротор действует на статор ( ). Таким образом, при работе электродвигателя 1.1 его статор 1.9 стремится повернуться в сторону, обратную вращению ротора 1.8 под действием момента , который уравновешивается ве­совой головкой 1.4. Показания весовой головки могут быть выведены на цифровой прибор 1.5. Для более точных измерений оборотов с точностью об/мин предназначен импульсный датчик оборотов 1.7. Все измерительные приборы, а также органы управления балансирным электродвигателем постоянного тока 1.1 электромагнитного динамометра 1 расположены на пульте управления.

Рис. 8.2

При включении балансирного двигателя 1.1 вращающий момент через эластичную муфту 2 передаётся на вал насоса 3. При вращении насос 3 захватывает рабочую жидкость из сливного бака 6 через всасывающий трубопровод 7 к нагрузочному клапану 9. Далее жидкость поступает в сливной трубопровод 10 и, проходя датчик расхода 16, в сливной бак 6. С помощью датчика расхода 16 и прибора 15 измеряется значение расхода в л/мин с точностью л/мин. В сливном баке 6 установлен датчик температуры 2 (термопара хромель-капель), показания которого выводятся на вольтметр с цифровой индикацией. Для измерения давлений на выходе и на выходе насоса установлены манометры 13 и 14.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Запитать энергией экспериментальную установку (рис. 8.2) включением вводных автоматов, расположенных на общем распреде­лительном щите и силовом шкафу электромашинного динамометра.

2. Включить приборы измерения оборотов 1.6; расхода 15; тем­пературы 12 и прогреть в течение 10-15 мин.

3. Проверить уровень масла в баке 6 и при необходимости до­лить до уровня отметки, расположенной на указателе уровня.

4. Проверить надёжность соединения трубопроводной арматуры.

5. Вывести ручку управления нагрузочного клапана 9 в положе­ние до упора против часовой стрелки.

6. Включить балансирный электродвигатель 1.1 (согласно ин­струкции по эксплуатации электромашинного динамометра 1).

7. Прогреть рабочую жидкость (масло) до температуры 45-60°С. Для ускорения прогрева масла вывести насос на режим работы по обо­ротам в пределах об/мин; по давлению .

8. При достижении температуры °С установить нагрузку насосу , а обороты насоса n = 960 об/мин. Убедившись в стабильной работе насоса на данном режиме, измерить значение крутящего момента по шкале весовой головки 1.4; расхода насоса по прибору расхода 15 , давления вакуумметром 13.

9. Нагружать насос ступенями через до поддерживая при этом на каждой ступени постоянные обороты насоса n = 960 об/мин и измерять на каждой ступени зна­чения параметров насоса, как указано в п.п. 7.8.

10. Результаты измерений заносятся в соответствующие графы таблицы 8.1.

ВНИМАНИЕ!

Обязательно следить за температурой рабочей жидкости во вре­мя

произведения измерений, указанных в п.п. 7.8. В случае перегре­ва рабочей жидкости необходимо разгрузить насос до и установить минимальные обороты насоса, добиваясь при этом зна­чения температуры .

В случае охлаждения рабочей жидкости проделать операции, указанные в п.7. Только после достижения значений температуры производить испытания насоса.

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1. Определяются значения давления, развиваемого насосом:

, МПа

2. Определяется значение теоретического расхода насоса:

,

где .

3. Определяется значение объемного КПД насоса:

4. Определяются значения эффективной (полезной) мощности насоса:

, кВт

5. Определяется значение мощности, подводимой к валу насоса:

, кВт

6. Определяется полный КПД насоса.

7. Вычисленные значения заносятся в таблицу 8.1.

Таблица 8.1.

№
Размерность											-			-
1	0
2	10
3	20
4	30
5	40
6	50
7	60
8	70

8. По измерительным и вычислительным значениям строятся экспериментальные графики зависимостей:

Примерный вид графиков показан на рис. 8.1.

9. По графикам определяются значения параметров оптимального режима работы насоса при n = 960 об/мин. Для этого проводим линию параллельно оси ординат через точку наибольшего значения КПД. Точки пересечения линии с соответствующими зависимостями дадут значения: (см. рис. 8.1). Аналогично определяются по графикам значения номинальных параметров: , только параллельно оси координат проводим через точку = 6,3 МПа согласно паспортным данным завода на насос Г12-21.

Таблица 8.2.

Оптимальные значения параметров насоса, определённые по графикам при n = 960 об/мин,
Номинальные значения параметров насоса, определённые по графикам при n = 960 об/мин, , P = 6,3

10. Работа заканчивается выводами о результатах сопоставления зна­чений номинальных и оптимальных параметров насоса, определенных опытным путем и анализом возможных причин их расхождения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назвать основные параметры, характеризующие насос.

2. Что такое общий КПД насоса?

3. Что такое оптимальный и номинальный режим работы насоса?

Работа № 9

КАВИТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОБЪЕМНОГО НАСОСА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Построение экспериментальной кавитационной характеристики насоса.

2. Определение допустимого вакуума во всасывающем трубопроводе для различных частот вращения насоса.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Кавитация в переводе на русский язык означает пустообразование. Возникает она из-за чрезмерного падения давления на всасывающей стороне насоса, в результате чего происходит местное выделение из рабочей жидкости газов и паров (вскипание жидкости) с последующим разрушением (конденсацией и смыканием) выделившихся парогазовых пузырьков, попавших в область с более высоким давлением, сопровождающимся местными гидравлическими микроударами высокой частоты и большими "забросами давления". Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы давление жидкости и в нём было больше давления (упругости) насыщенных паров жидкости при данной температуре.

Давлением или упругостью насыщенного пара жидкости называется установившееся в замкнутом пространстве в результате испарения жидкости при данной температуре давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью. С повышением температуры это дав­ление повышается, что видно из рис.9.1.

Рис. 9.1

В гидравлических приводах кавитация носит динамический характер и происходит в отдельных местах гидродинамического поля, где достигает своего кри­тического значения парообразо­вание. Кавитация нарушает нормальный режим работы объёмного насоса, в отдельных случаях оказывает разрушительное действие на его элементы. Наличие кави­тации приводит к появлению шума (треск, удары) и вибрации в насoce, снижению подачи насоса, напора, мощности и КПД насоса вследствие недозаполнения рабочих камер насоса; наблюдаются рез­кие колебания давления в нагнетательной линии и ударные нагруз­ки на детали насоса, вызывающие преждевременный выход его из строя.

Правильная установка насоса относительно уровня рабочей жидкости в баке, выбор размеров и конфигурации всасывающего трубопровода должны обеспечить бескавитационную работу насоса, что достигается в том случае, если величина вакуума на входе в насос не превышает допустимой для данного насоса величины, указанной в его технической характеристике.

Для роторных насосов величина вакуума на входе в насос мо­жет быть вычислена по уравнению Бернулли для установившегося движения:

(9.1)

ρ - плотность жидкости,

g - ускорение свободного падения,

h - высота всасывания,

- скорость жидкости во входном патрубке насоса,

λ - коэффициент путевых потерь,

l - длина всасывающего трубопровода,

d - диаметр всасывающего трубопровода,

ξ - коэффициент местных потерь. Кавитационным запасом - называется разница между абсо­лютным давлением на входе в насос и давлением насыщенного пара рабочей жидкости :

(9.2)

Кавитационный запас, при котором насос работает в условиях развившейся кавитации, называется критическим . Для изучения кавитационных качеств насоса производят кавитационные испытания, в результате которых для каждого режима работы получают кавитационную характеристику, представляющую собой графическую зависимость подачи, КПД и мощность от кавитационного запаса:

Кавитационные характеристики строятся при постоянной часто­те вращения вала насоса , постоянной температуре жидкости в баке испытательного стенда. На рис.9.2. показана кавитационная характеристика роторного объёмного насоса.

Рис. 9.2

Уменьшение кавитационного запаса до значений не вли­яет на подачу, КПД и мощность насоса. Когда же достигается значение происходит резкое снижение подачи, КПД и мощности насоса, появляются характерный шум и стук - насос начинает работать в кавитационном режиме. Для безкавитационной ра­боты насосов по кавитационной характеристике назначается допустимый кавитационный запас , который принимают равным:

(9.3)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Описание установки, её принципиальная схема даны в работе № 8 (рис.8.2).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Запитать энергией экспериментальную установку включением вводных автоматов, расположенных на общем распределительном щите и силовом шкафу электромашинного динамометра.

2. Включить приборы измерения оборотов 1.6, расхода 15, тем­пературы 12 и прогреть в течение 10-15 мин.

3. Проверить уровень масла в баке 6 и при необходимости до­лить.

4. Проверить надёжность соединений трубопроводной арматуры.

5. Вывести ручки управления нагрузочного клапана 9 и регули­руемого дросселя 4 в положение до упора против часовой стрелки.

6. Включить балансирный электродвигатель согласно инструкции по эксплуатации электромашинного динамометра 1.

7. Прогреть рабочую жидкость до температуры 45-50°С. Для ускорения прогрева масла вывести насос на режим работы: по оборо­там 900-1000 об/мин, по давлению 60-70 .

8. Установить нагрузочным клапаном 9 давление за насосом = 20 , а обороты насоса n = 960 об/мин (или другие по указанию преподавателя). Убедившись в стабильной работе насо­са на этом режиме, измерить значение крутящего момента по шкале весовой головки 1.4, расхода по прибору расхода 15, давления мановакуумметром 13.

9. Перекидывая проходное сечение дросселя 4, увеличить величину давления на входе в насос. Установить режим и произвес­ти измерения параметров по п.8. Испытания продолжать до тех пор, пока не начнётся резкое уменьшение подачи насоса (4-5 эксперимен­тальных точек).

10. Нагрузить насос ступенчато до давлений = 40 и = 60 , поддерживая при этом обороты n = 960 об/мин (или другие по указанию преподавателя), и произвести при каждом значении замеры параметров насоса по пунктам 8 и 9.

11. Результаты измерений занести в соответствующие графы та­блицы.

ВНИМАНИЕ!

Во время эксперимента следить за температурой рабочей жид­кости, необходимо максимально разгрузить насос, в случае охлажде­ния - нагрузить, добиваясь при этом температуры 45-50°С. Только после этого продолжать испытания насоса.

ПОРЯДОК ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Давление, развиваемое насосом,

, МПа

2. Навигационный запас

, МПа

, МПа

- давление насыщенных паров масла при температуре экспери­мента.

3. Полезная (дефективная) мощность насоса

, кВт

4.Мощность на валу насоса

, кВт

Где

5. КПД насоса

6. Вычисленные значения параметров заносим в таблицу 9.1.

7. По измеренным и вычисленным значениям параметров строим зависимости:

8. По графикам определить (в точке снижения па­раметров на 2%).

№

n

кгм

МПа

кВт

кВт

МПа

МПа

Таблица 9.1

9. Работа заканчивается выводами о результатах сопоставле­ния значений при различных давлениях и оборотах насоса.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое кавитация, при каких условиях она может возникнуть?

2. Как меняются параметры насоса, работающего в условиях кавита­ции?

3. Что такое кавитационный запас и как он определяется?

4. Способы борьбы с кавитацией.

Работа № 10

ИСПЫТАНИЕ СИЛОВОГО ГИДРОЦИЛИНДРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.Ознакомление с устройством и работой стенда для испытания силового гидроцилиндра.

2.Определение КПД и нагрузочной характеристики силового гидроцилиндра двустороннего действия с односторонним штоком.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Основными геометрическими и режимными параметрами гидроцилинд­ра являются: диаметры цилиндра D и штока d; ход поршня l; рабочие площади поршня в поршневой и штоковой полостях; дав­ление жидкости в поршневой и штоковой полостях; усилие, создаваемое цилиндром при выдви­жении и втягивании штока; расход жидкости, поступающей в поршневую и штоковую полости; скорость движения поршня при выдвижении и втягивании штока (рис. 10.1).

Рис. 10.1

К основным характеристикам силового гидроцилиндра относятся КПД и скорость движения поршня в зависимости от внешней нагрузки, действующей на шток цилиндра (нагрузочная характеристика).

КПД силового гидроцилиндра определяется как отношение полез­ной мощности и потребляемой N:

, (10.1)

где: - механический КПД гидроцилиндра, учитывающий потери энергии потока жидкости, обусловленные трением движущихся частей цилиндра, и равный отношению действительного усилия , создаваемого цилиндром, к расчетному F;

- объемный КПД гидроцилиндра, учитывающий потери энергии потока жидкости, обусловленные утечками жидкости через уплотнения цилиндра, и равный отношению действительной скорости движения поршня к расчётной V.

Расчётное усилие F (без учёта сил трения к инерции при движении поршня) находится по формуле:

(10.2)

Скорость движения выходного звена гидроцилиндра зависит от расхода жидкости в гидролинии и рабочей площади поршня:

(10.3)

Таким образом, создаётся возможность регулировать скорость движения выходного звена гидроцилиндра путём изменения расхода жидкости, например, с помощью регулируемого дросселя. Причём эта скорость при данной настройке дросселя зависит от величины внеш­ней нагрузки. Так, в схеме с последовательным включением дроссе­ля в напорной гидролинии с увеличением внешней нагрузки возрас­тает давление жидкости за дросселем, а перепад давления на нём уменьшается, так как давление перед дросселем поддерживается постоянным с помощью напорного гидроклапана. Уменьшение перепада давления на дросселе приводит к уменьшению расхода жидкости, протекающей через него, и, следовательно, к уменьшению скорости движения выходного звена гидроцилиндра. Поэтому гидроприводы поступательного движения с дроссельным регулированием скорости рекомендуются применять в механизмах с неизменной нагрузкой на што­ке гидроцилиндра.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема установки (стенда) для испытания сило­вого гидроцилиндра представлена на рис.10.2.

Рис. 10.2

Стенд включает в себя гидробак 1 с рабочей жидкостью, насос 2 постоянной производительности, напорный клапан 3, золотниковый гидрораспределитель 4 с ручным управлением, регулируемый дроссель 5, силовой гидроцилиндр 6 с граничными указателями 7, расходомер 8, нагрузочное устройство, состоящее из троса 9, блоков 10,11,12 и груза 13, манометры 14,15,16 и трубопроводы. Объект, испытания - силовой гидроцилиндр 6 выполнен из прозрачного материала - плексигласа.

При включении насоса 2 рабочая жидкость из гидробака 1 по­ступает на вход в насос, а затем в напорную гидролинию к гидрораспределителю 4. При положении гидрораспределителя в позиции 1 жидкость после насоса сливается в гидробак через напорный гидроклапан 3. При установке гидрораспределителя в позицию 2 жидкость поступает из напорной гидролинии через гидрораспределитель и регулируемый дроссель 5 в поршневую полость силового гидроцилиндра 6. Из штоковой полости гидроцилиндра жидкость сливается в гидробак через гидрораспределитель 4 и расходомер 6. При этом в напорной гидролинии перед дросселем 5 поддерживается заданное давление пу­тём слива части потока жидкости после насоса в гидробак через напорный гидроклапан 3.

Под действием перепада давления жидкости между обеими полос­тями гидроцилиндра поршень со штоком перемещается влево. В резуль­тате чего груз 13 поднимается вверх с помощью троса 9 и системы блоков 10,11,12. Таким образом осуществляется рабочий ход поршня. Время движения поршня на фиксированном участке, отмеченном граничными указателями 7, замеряется секундомером.

В конце рабочего хода поршня гидрораспределитель 4 переводится в позицию 3. Жидкость поступает из напорной гидролинии через гидрораспределитель в штоковую полость гидроцилиндра 6. Поршень со штоком под действием давления жидкости и веса груза перемещается вправо, вытесняя при этом жидкость из поршневой полости гидроцилиндра в гидробак через дроссель 5 и гидрораспределитель 4. В конце этого хода поршня гидрораспределитель переключается в среднее положение - позицию 1, при котором отключается под­вод жидкости от насоса к гидроцилиндру.

Скорость перемещения поршня со штоком изменяется с помощью регулируемого дросселя 5, установленного на входе в гидроцилиндр.

Стенд оборудован показывающей и измерительной аппаратурой, предназначенной для контроля и измерения давления и расхода жидкости. Давление жидкости после насоса в напорной гидролинии, в гидролиниях на входе и выходе гидроцилиндра замеряется образцовы­ми манометрами типа МО класса точности 0,4. Расход жидкости замеряется расходомерным устройством, состоящим из турбинного расхо­домера и вторичного прибора с аналоговой индикацией.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ PAБOТЫ

1. Ознакомиться со стендом, системами включения, измерения и контроля параметров.

2. С помощью нагрузочного устройства создается минимальная полезная нагрузка на штоке гидроцилиндра путем установки и фик­сации определённого веса груза 13.

3. Ослабляется регулировочный винт предохранительного клапана

4. Устанавливается гидрораспределитель 4 в нейтральное по­ложение, соответствующее позиции 1 (рис.10.2).

5. Включается насос 2 и настраивается клапан 3 на давление, равное 2 МПа.

6. Устанавливается по лимбу регулируемого дросселя 5 начальный заданный угол поворота α.

7. Устанавливается гидрораспределитель 4 в положение, соот­ветствующее позиции 2.

8. После выхода установки на установившийся режим (по истечении 5-6 минут после включения насоса) производится одновременно измерение давлений в напорной гидролинии после насоса по манометру 14, в гидролиниях на входе и выходе гидроцилиндра манометрами 15 и 16, время перемещения поршня τ секундоме­ром, расход жидкости Q расходомером 8, установленным в сливной гидролинии.

9. В конце рабочего хода поршня, то есть после фиксации мо­мента прохождения поршня граничного указателя 7, парораспреде­литель 4 переводится в позицию 3, а затем - в позицию 1.

10. Устанавливаются по лимбу регулируемого дросселя 5 другие углы поворота α и повторяются измерения параметров в последовательности, указанной в п.п. 7-9.

11. Увеличивается вес груза 13 и в последовательности, ука­занной в п.п. 6-10, проводятся 4-5 опытов.

12. После окончания испытаний включается насос. Результаты испытаний заносятся в соответствующие графы таб­лицы.

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1. Сила давления жидкости, действующая на поршень в поршне­вой полости гидроцилиндра:

,

где: D = 0,040 м - диаметр поршня;

- давление жидкости в поршневой полости, Па.

2. Сила давления жидкости, действующая на поршень в штоковой полости гидроцилиндра:

,

d = 0,028 м - диаметр штока;

- давление жидкости в штоковой полости, Па.

3. Расчётное усилие, создаваемое гидроцилиндром при выдвижении штока:

4. Объёмный расход жидкости:

Где n – число делений показывающего прибора,

k - тарировочный коэффициент.

5. Действительная скорость движения поршня со штоком:

,

Где: l = 0,2 м - рабочий ход поршня;

- время установившегося движения поршня, с.

6. Расчётная скорость движения поршня:

7. Полезная мощность гидроцилиндра:

8. Потребляемая мощность гидроцилиндра:

9. Механический КПД гидроцилиндра:

,

Где - нагрузка, действующая на шток гидроцилиндра (действительное усилие).

10. Объёмный КПД гидроцилиндра:

11. КПД гидроцилиндра:

Результаты вычислений заносятся в таблицу 10.1.

Таблица 10.1.

№

m

n

Q

Разм.

кг

град

с

1.

2.

3.

По экспериментальным данным строятся зависимости КПД гидроцилиндра и действительной скорости движения поршня от внешней нагрузки .

KOHTPOJIЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как проводятся испытания силового гидроцилиндра, и какие параметры измеряются при этом?

2. Что такое КПД гидроцилиндра и его нагрузочная характери­стика?

3. Объяснить характер зависимостей КПД гидроцилиндра и скорости движения его поршня от изменения внешней нагрузки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Башта Т.М. и др. ”Гидравлика, гидромашины и гидроприводы” - М.: Машиностроение, 1982 – 423с.

2. Идельчик И.Е. ”Справочник по гидравлическим сопротивлениям” – М.: Машиностроение, 1975. – 559с.

3. Калицун В.Н. и др. ”Гидравлика, водоснабжение и канализация” – М.: - 1980. – 360с.

4. ”Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач” / Под редакцией Руднева С.С. и Подвидза Л.Г. – Мю: Машиностроение, 1974. – 415с.

5. ”Лабораторный практикум по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу” / Под редакцией Вильнера Я.М. – Минск: Высшая школа, 1980. - 224с.

6. Осипов П.Е. ”Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод” – М.: Лесная промышленность, 1981. – 424с.

7. Чугаев Р.Р. ”Гидравлика” – Ленинград: Энергоиздат, 1982. – 672с.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

Работа № 1. Определение формы свободной поверхности жидкости в равномерно-вращающемся вокруг вертикальной оси цилиндрическом сосуде

Работа № 2. Исследование режимов движения жидкости в цилиндрической трубе

Работа № 3. Исследование потока жидкости в канале переменного сечения

Работа № 4. Тарировка сужающихся расходомеров

Работа № 5. Исследование истечения жидкости из отверстий и насадков

Работа № 6. Определение коэффициента фильтрации

Работа № 7. Испытания лопастного насоса

Работа № 8. Испытания объёмного гидронасоса

Работа № 9. Кавитационные испытания объёмного насоса

Работа № 10. Испытание силового гидроцилиндра

Литература

12