Гидромеханика
Техническим приложением гидромеханики является наука гидравлика.
Гидравлика — это наука о законах движения и равновесия жидкостей и способах приложения этих законов к решению конкретных технических задач. С гидравликой связаны отрасли науки и техники, занимающиеся созданием, исследованием и использованием различных гидравлических машин: насосов, турбин, гидропередач и гидропривода. Часто описание теории этих машин, их устройства и принципов работы объединяют в одном учебном предмете «Гидравлика и гидравлические машины».
Слово гидравлика произошло от греческого hydro (вода) и aulos (трубка). В настоящее время это понятие значительно расширилось: гидравлика занимается изучением любой жидкости, движущейся не только в трубах.
В начале своего развития гидравлика представляла собой теоретическую науку — математическую механику жидкости или гидромеханику. Используя сложный математический аппарат и принимая некоторые допущения в отношении физических свойств жидкости, эта наука рассматривает движение жидкости по упрощенным схемам. Но методы математической гидромеханики не дали возможности решить целый ряд практических задач. В связи с этим стала развиваться практическая наука — техническая механика жидкости, решающая инженерные задачи методом упрощения гидравлических явлений, но с введением в теоретические уравнения поправочных коэффициентов, полученных в результате эксперимента.
В настоящее время приходится сталкиваться с задачами, при решении которых одновременно используются методы теоретической и технической гидромеханики. Поэтому различие в методах этих двух ветвей одной и той же науки постепенно исчезает. Современная гидравлика представляет собой самостоятельную, сформировавшуюся отрасль знаний, находящую применение в различных областях техники.
1. Краткая история развития гидромеханики.
Жизнь и деятельность человека во все времена были неразрывно связаны с водой. Еще в глубокой древности люди использовали реки и моря как пути сообщения и занимались орошением земель. Много лет назад в Средней Азии и Китае, Египте и Месопотамии, Риме и Греции были созданы различные гидротехнические сооружения для подъема и подачи воды: каналы и плотины, водоводы и акведуки. Во времена Траяна в Риме было 9 водопроводов общей длиной 436 км. Однако каких-либо сведений о гидравлических расчетах этих сооружений не найдено.
Первым научным трудом в области гидравлики принято считать трактат древнегреческого математика и механика Архимеда (ок. 287—212 до н. э.) «О плавающих телах», написанный примерно за 250 лет до н. э. Архимедом открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость, который затем лег в основу теории плавания кораблей и их остойчивости.
Дальнейшее развитие гидравлика получила в XIV—XVII веках. Широко известны труды гениального итальянского ученого Леонардо да Винчи (1452—1519). Он изучал механизм движения жидкости в реках и каналах, процесс истечения жидкости, занимался постройкой гидротехнических сооружений, установил принцип работы гидравлического пресса, изобрел центробежный насос и многое другое. К этому же периоду относятся работы голландского инженера С. Стевина (1548— 1620); он определил давление жидкости на плоскость и описал гидравлический парадокс.
Итальянский ученый Г. Галилей (1564—1642) систематизировал основные положения гидростатики и впервые указал на зависимость гидравлических сопротивлений от скорости потока жидкости и его плотности, а его соотечественник Э. Торричелли (1608—1647) вывел формулу для расчета скорости истечения жидкости. Важное значение для гидравлики имели работы французского физика и математика Б. Паскаля (1623—1662), открывшего закон о передаче внешнего давления, носящий его имя.
Особо следует отметить работы выдающегося английского физика, математика, механика и астронома И. Ньютона (1643—1727), который впервые ввел понятие вязкости жидкости и установил зависимость между напряжением трения, градиентом скорости и свойствами жидкости; он же заложил основы теории гидродинамического подобия.
Исследования в этот период носили в основном теоретический характер и не были связаны друг с другом. Лишь во второй половине XVIII века труды крупнейших ученых-механиков и математиков, и прежде всего Д. Бернулли и Л. Эйлера, послужили теоретической основой гидромеханики и гидравлики.
Д. Бернулли (1700—1782) вывел основное уравнение движения жидкости. С именем Д. Бернулли связано понятие «гидродинамика»: в 1738 г. он опубликовал свою работу «Гидродинамика» — академический труд, выполненный автором во время работы в Петербурге.
Л. Эйлер (1707—1783)—знаменитый математик, механик, физик и астроном, уроженец Швейцарии. Не найдя на родине условий для научной деятельности, он в 1727 г. переехал в Россию и работал здесь до конца своих дней. Он опубликовал более 800 научных работ, относящихся к разным областям знаний, и создал основополагающий труд «Общие принципы движения жидкости».
Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711—1765), занимаясь общими проблемами физики, уделял большое внимание вопросам движения жидкостей и газов и практическому применению гидравлики, а открытый им закон сохранения массы и энергии лежит в основе современной гидравлики. М. В. Ломоносов поддерживал научные контакты с Л. Эйлером в период работы швейцарского ученого в Петербургской Академии наук.
Вторая половина XVIII и начало XIX века характеризуются ростом промышленного производства и бурным развитием техники. Для решения различного рода инженерных задач в области гидравлики требуются новые научные методы, учитывающие свойства реальной жидкости. Примерно в это время начинается второй период развития гидравлики — превращение ее в прикладную науку.
Большой вклад в становление технической гидромеханики внесли французские ученые А. Пито (1695—1771)—инженер-гидротехник, широко известный изобретением «трубки Пито», А. Шези (1718—1798), который вывел формулу для определения скорости движения жидкости, Ж. Борда (1733—1799), который вывел уравнение для определения потерь напора при резком расширении потока; итальянский профессор Д. Вентури (1746—1822), исследовавший процесс истечения жидкости из насадков; Д. Вейсбах (1806—1871) —крупный немецкий ученый, чьи теоретические и экспериментальные исследования в области движения жидкости не утратили своего значения до настоящего времени; английский ученый О. Рейнольдс (1842—1912), установивший два режима движения жидкости и критерий гидродинамического подобия;
Л. Прандтль (1875—1953), разработавший теорию турбулентных потоков.
Не остались в стороне от развития технической гидравлики и ученые России. Инженерное направление в гидромеханике интенсивно разрабатывалось в стенах Петербургского института путей сообщения, где была создана первая в России гидравлическая лаборатория и плодотворно работала группа ученых под руководством профессора П. П. Мельникова (1804—1880) — почетного члена Петербургской Академии наук, издавшего в 1836 г. первый на русском языке учебник по гидравлике «Основания практической гидравлики...». Выдающийся русский инженер, почетный член Петербургской Академии наук, профессор Н. П. Петров (1836—1920) на основе гипотезы Ньютона о трении в жидкости разработал гидродинамическую теорию смазки машин.
Особенно большой вклад в развитие гидравлики внес Николай Егорович Жуковский (1847—1921)—автор целого ряда работ по технической гидродинамике. Важнейшей его работой, вышедшей в свет в 1899 г., было исследование «О гидравлическом ударе».
В начале XX века в гидравлике стали формироваться различные направления специальных исследований. Характерной особенностью этого периода является проведение коллективных исследований и создание научных школ.
Талантливый . инженер и ученый В. Г. Шухов (1853—1939) разработал методы расчета нефтепроводов и изобрел оригинальное устройство для подъема нефти — эрлифт. Ведущую роль в разработке теории и расчета гидравлических сооружений сыграли работы Н. Н. Павловского (1884—1937).
С первых дней создания Советского государства наступил новый этап в развитии гидравлики в нашей стране. Разработка и осуществление плана ГОЭЛРО, проектирование и строительство крупных гидроэлектростанций потребовали решения целого ряда прикладных задач в области гидравлики, динамики русловых процессов и др. Были созданы специализированные научно-исследовательские и проектные институты, лаборатории при кафедрах некоторых ведущих высших учебных заведений. Ученые проводили исследования и изыскательские работы, необходимые для осуществления проектов строительства каналов им. Москвы, Беломоро-Балтийского, Волго-Донского им. В. И. Ленина, а также сооружения мощных гидроэлектростанций на Волге, Днепре, крупнейших реках Сибири.
Базой развития гидроэнергетики явилось создание в стране крупного энергетического гидромашиностроения, что позволило планомерно увеличивать единичную мощность гидроагрегатов на строящихся ГЭС. Так, на Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС мощность одной турбины составляет 115 МВт, на Братской— 250 МВт, на Красноярской — 500 МВт, на Саяно-Шушенской — 640 МВт. Не менее значительны достижения гидромашиностроения по разработке насосов высокого давления с большой подачей, объемного гидропривода и гидродинамических передач.
2.2 Некоторые физические свойства жидкостей
Рассмотрим физические свойства жидкостей, определяющие их поведение при гидравлических процессах и применение в различных областях техники.
Температурное расширение. Увеличение объема жидкостей при нагревании необходимо учитывать при их практическом применении, так как нагревающиеся жидкости могут переливаться через края резервуара, разрушать герметично закрытые посуды, вызывать погрешность в работе приборов и пр.
Температурное расширение зависит от физической природы жидкости и характеризуется коэффициентом объемного расширения, который показывает относительное изменение объема жидкости при увеличении температуры на 1 градус.
Сжимаемость и упругость. Под сжимаемостью понимают свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Так как все капельные жидкости (обычные жидкости, встречаемые в природе и применяемые в технике) имеют незначительную сжимаемость, то в гидравлических расчетах их чаще всего считают несжимаемыми. Но иногда сжимаемостью жидкости пренебрегать нельзя, например, если жидкость находится под землей на больших глубинах, где она испытывает высокие давления. Нельзя также пренебрегать сжимаемостью жидкостей при расчетах гидравлического удара.
Под упругостью понимают способность жидкости принимать свой прежний объем после снятия внешней нагрузки. Свойство упругости определяет использование жидкости в качестве рабочего тела во многих гидравлических устройствах и машинах и характеризуется модулем упругости К (Па).
Для капельных жидкостей модуль упругости возрастает с увеличением температуры и давления. Для воды модуль упругости может быть принят равным К=2-103 МПа. Это значит, что при повышении давления на 0,1 МПа объем воды уменьшается на 1/20000. Это указывает на весьма незначительную сжимаемость воды. Сжимаемость других капельных жидкостей имеет такой же порядок, поэтому они считаются практически несжимаемыми, а их удельный вес (отношение веса жидкости к ее объему) —.независящим от давления.
Капельные жидкости при особых условиях способны выдерживать большие растягивающие усилия. Вода может выдерживать отрицательные нагрузки до 2,8-104 кПа. Сопротивление растяжению возрастает по мере удаления из жидкости растворенных в ней газов. Так, обычная водопроводная вода способна выдерживать отрицательные усилия до 2,0-Ю3 кПа, а после удаления из нее воздуха — до 1,0-Ю4 кПа.
В капиллярах сопротивление жидкости растяжению увеличивается. В обычных же условиях сопротивление растяжению внутри капельных жидкостей очень мало, и поэтому иногда считают, что жидкости неспособны, выдерживать отрицательные нагрузки.
Испаряемость и кавитация. Испаряемость жидкостей зависит от температуры и давления. При снижении давления в жидкости и при повышении температуры упругость паров увеличивается и жидкость закипает. Под упругостью паров обычно понимают парциальное (частичное) давление насыщенных паров жидкости над ее поверхностью, при котором пары находятся в равновесии с жидкостью, т. е. когда процессы испарения и конденсации взаимно уравновешены:
В обычных условиях (при нормальном атмосферном давлении и температуре) вода содержит около 2% объема растворенного в ней воздуха. Очевидно, что при повышении температуры и понижении давления, когда вместе с испарением жидкости в ней начнут выделяться пузырьки воздуха. Появление в воде паровоздушных пузырьков называется кавитацией.
Жидкость, содержащая паровоздушную смесь, приобретает свойства, отличные от свойств воды: сжимаемость ее значительно возрастает. Попадая в область повышенного давления, пузырьки пара конденсируются и переходят в жидкое состояние, а воздушные сжимаются или полностью смыкаются. Это явление происходит мгновенно и сопровождается сильными ударами с резким повышением давления, в несколько тысяч раз превосходящего атмосферное. Так как микроудары многократно повторяются на очень малой площадке, происходит разрушение твердой поверхности. В результате имеет место так называемая кавитационная эрозия.
Явление кавитации уменьшает пропускную способность трубопроводов, снижает подачу и КПД насосов. Кавитационная эрозия приводит к разрушению лопастей гидравлических турбин, насосов, гребных винтов и даже бетонных гидротехнических сооружений.
Вязкость. Вязкостью называется свойство жидкости сопротивляться сдвигу или скольжению одних слоев жидкости относительно других, так как между слоями жидкости возникают силы внутреннего трения и касательные напряжения.
Впервые предположение о наличии сил внутреннего трения высказал И. Ньютон в 1686 г., а достоверность этой гипотезы экспериментально обосновал и подтвердил профессор Н. П. Петров в 1883 г. Согласно гипотезе И. Ньютона величина сил внутреннего трения между слоями не зависит от давления, а зависит от рода жидкости, площади соприкосновения слоев и относительной скорости перемещения.
Чтобы лучше понять это утверждение, рассмотрим рисунок 1.1. При движении вязкой жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока за счет трения частиц жидкости о стенку. В результате скорости движения слоев и будут уменьшаться по мере приближения их к стенке. Очевидно, что в непосредственной близости от стенки будет находиться заторможенный элементарный слой, где скорость близка к нулю.
Различие в скоростях движения приводит к тому, что происходит проскальзывание соседних слоев и возникновение касательных напряжений.
Физический смысл коэффициента динамической вязкости можно понять, приняв du/dy =1. Тогда из уравнения. Таким образом, коэффициент динамической вязкости можно рассматривать как напряжение внутреннего трения при градиенте скорости, равном единице.
Текучесть жидкостей характеризуется величиной, обратной коэффициенту динамической вязкости.
Рис 1.Распределение скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки.
Из закона трения, описываемого уравнением, видно, что напряжение трения может возникать только в движущейся жидкости при наличии скоростной деформации. В покоящейся жидкости скоростная деформация равна нулю; следовательно, касательные напряжения также равны нулю. Жидкости, для которых приемлема зависимость получили название нормальных или ньютоновских.
Однако существуют жидкости, для которых зависимость неприемлема. К ним относятся нефть и некоторые нефтепродукты, битумные и полимерные материалы, смазочные масла при низких температурах, расплавленные металлы при температурах, близких к температуре кристаллизации, различного рода суспензии и коллоидные растворы (например, зубная паста). Такие жидкости называют аномальными или неньютоновскими. Они отличаются от нормальных (ньютоновских) наличием сил трения даже в состоянии покоя, что препятствует переходу жидкостей в движение до определенного напряженного состояния. Их движение начинается только после преодоления некоторого предельного значения касательного напряжения то, которое не зависит от градиента скорости по нормалям.
Особенность движения аномальных жидкостей была выявлена русским ученым Ф. Н. Шведовым еще в 1889 г., а затем исследована и описана американским ученым Бингемом в 1916 г. Поэтому их иногда называют бингемовскими или шведовскими.
Вязкость капельных жидкостей в значительной степени зависит от температуры. Например, с повышением температуры вязкость капельной жидкости уменьшается, а воздуха увеличивается. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены значительно ближе друг к другу, чем в газах. Так как вязкость обусловлена силами межмолекулярного сцепления, а эти силы с увеличением температуры жидкости уменьшаются, то и вязкость ее уменьшается. В то же время в газах молекулы движутся беспорядочно, а с ростом температуры беспорядочность теплового движения молекул возрастает, что вызывает увеличение вязкости.
Для таких жидкостей, как бензин, керосин, спирт, молоко и другие, характерны низкие значения вязкости, в то время как вязкость патоки, мазута, глицерина и других довольно значительна.
Вязкость играет существенную роль при перекачивании жидкости по трубам, при опорожнении резервуаров, при работе различных машин и механизмов. Особенно важна зависимость вязкости смазочных масел от температуры. Например, значительное снижение вязкости автомобильных масел при повышении температуры может сделать их слишком жидкотекучими. В результате ухудшаются их рабочие характеристики, что вызывает преждевременный износ двигателя. В связи с этим применяют специальные добавки, стабилизующие вязкость масел.
В гидравлике создана модель абстрактной, не существующей в природе жидкости, которая называется идеальной жидкостью. Для идеальной жидкости характерны следующие допущения:
абсолютная несжимаемость, т. е. неизменяемость объема под действием внешних сил и температуры;
полное отсутствие вязкости, т. е. исключение возможности возникновения сил внутреннего трения.
Реальная жидкость отличается от идеальной, прежде всего тем, что при ее движении возникают касательные напряжения (внутреннее трение). В покоящейся жидкости касательные напряжения всегда отсутствуют, и потому в гидростатике нет необходимости различать реальную и идеальную жидкости.
Использование модели идеальной жидкости позволяет проводить исследования движущихся жидкостей с применением современного математического аппарата. Чтобы перейти от идеальных жидкостей к реальным, необходимо либо учесть напряжения и деформации, которые возникают в реальных жидкостях, либо ввести дополнительные коэффициенты, полученные для реальных жидкостей экспериментальным путем.
В гидравлике принято еще одно допущение. Жидкость рассматривается как непрерывная, сплошная среда, заполняющая пространство без пустот и промежутков, которую называют континуум (от латинского слова continuum — непрерывное). Исходя из этого, считают, что и физические характеристики, определяющие состояние и движение жидкости, распределяются и изменяются в занятом ею объеме непрерывно.(1)
3. Гидравлические машины, гидроприводы.
Гидравлические машины предназначены для перемещения жидкостей, преобразования энергии потока жидкости в механическую энергию, а также передачи механической энергии от машины-двигателя к машине-орудию или преобразования различных видов движений и скоростей посредством жидкости. Соответственно гидравлические машины подразделяются на три основных класса: насосы, гидродвигатели и гидропривод. Они различаются по своим энергетическим и конструктивным признакам, но общим для них является то, что в качестве рабочего тела используется жидкость.
Наиболее многочисленный класс гидравлических машин составляют насосы. Всего насчитывается около 130 наименований насосов различных видов. Государственный стандарт определяет насос как машину для создания потока жидкой среды. Этот поток создается в результате силового воздействия вытеснителя на жидкость в рабочей камере насоса. По характеру силового воздействия насосы разделяют на динамические и объемные. К динамическим насосам относятся лопастные, центробежные, осевые, вихревые, струйные, к объемным — поршневые и плунжерные, диафрагменные, крыльчатые, роторные и др.
Гидравлические двигатели, как и насосы, подразделяются на машины динамического и объемного действия. К ним относятся гидравлические турбины, водяные колеса, гидроцилиндры и роторные гидромоторы. Гидродвигатели находят широкое применение в различных областях техники: в гидроэнергетике (гидравлические турбины, которые вырабатывают в стране около 20% электроэнергии) , в нефтедобыче и горном деле (буровые установки, снабженные турбобурами), на транспорте (гидроцилиндры и гидромоторы) и т. д.
Гидропривод состоит из трех основных элементов: гидропередачи, устройства управления и обслуживающего устройства. Силовой частью гидропривода является гидропередача, состоящая из насоса и гидродвигателя. Следовательно, гидропередачи также делятся на два вида: динамические и объемные. К динамическим относятся гидродинамические муфты и гидродинамические трансформаторы, а к объемным — различные комбинации объемных
насосов и гидродвигателей. Назначение гидропередач такое же, как и механических (муфты, коробки скоростей, редукторы), однако по сравнению с механическими они имеют ряд преимуществ, которые будут рассмотрены в гл. 12.
В современной технике используются гидромашины различных типов. Наибольшее распространение получили объемные и лопастные насосы и гидродвигатели. Некоторые конструкции насосов обладают свойством обратимости, т. е. способностью работать в качестве гидродвигателей при подводе к ним жидкости под давлением. К ним относятся, в частности, роторные насосы.
Широкое применение имеют гидросистемы с двигателями прямолинейного, поворотного и возвратно-поступательного движений в современных автоматизированных поточных линиях, в различных роботах и манипуляторах.
Устройство и принцип действия поршневых насосов
Поршневой насос представляет собой машину объемного действия, в которой вытеснение жидкости из замкнутого пространства насоса происходит в результате прямолинейного возвратно-поступательного движения вытеснителей. К поршневым насосам относят также и плунжерные насосы. Они различаются конструкцией вытеснителя и характером уплотнения.Классификация и основные конструкции поршневых насосов
Поршневые насосы классифицируются по нескольким основным признакам:
1. По характеру движения ведущего звена: прямодействующие, в которых ведущее звено совершает возвратно-поступательное движение (паровые прямодействующие); вальные, в которых ведущее звено совершает вращательное движение (кривошипные, кулачковые) .
2. По числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход: одностороннего и двухстороннего действия.
3. По количеству поршней или плунжеров: однопоршневые, двухпоршневые, трехпоршневые и многопоршневые.
4. По виду вытеснителей: поршневые, плунжерные и диафрагменные.
5. По способу приведения в действие: с механическим приводом и ручные.
Рассмотрим наиболее характерные конструкции насосов:
Дифференциальные насосы. Насосы двухстороннего действия (рис. 2) имеют одну рабочую камеру 4 со всасывающим 3 и напорным клапанами и вторую рабочую камеру 2 без клапанов. Благодаря тому что за один оборот вала насос два раза нагнетает жидкость, подача его выравнивается.
Рис. 2. Схема дифференциального насоса.
Рис. 3. Схема насоса двойного действия.
Насосы двойного действия. Этот насос (рис. 3) имеет более равномерную подачу по сравнению с насосами простого действия и дифференциальными благодаря тому, что по обе стороны от цилиндра имеются две рабочие камеры, в каждой из которых находятся нагнетательные 3 и всасывающие 4 клапаны. Поэтому за один оборот коленчатого вала поршень 5 два раза нагнетает жидкость. Воздушный колпак /, соединенный с патрубком 2, при нагнетании существенно снижает пульсацию жидкости.
Кулачковые насосы. В одноцилиндровых насосах (рис. 4, а) поршень 3 приводится в движение кулачком 4, а возвращается в исходное положение с помощью пружины. Ось вращения кулачка смещена относительно его геометрической оси на величину эксцентриситета.. При вращении кулачка поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение на пути s=2e; при этом через клапан происходит всасывание, а через клапан 2 — нагнетание жидкости.
Рис. 4. Схема насосов с кулачковым приводом: а—одноцилиндровый; б—трехцилиндровый однорядный; в — трехцилиндровый радиальный.
Подача в насосах данного типа такая же неравномерная, как в поршневых насосах простого действия с шатунно-кривошипным механизмом. Для выравнивания подачи применяются многопоршневые насосы с числом цилиндров r==3—11 в одном ряду и со смещением фаз их рабочих циклов на угол φ=360°/r. Схема трехцилиндрового насоса представлена на рисунке 4, б. Кулачки 4 расположены в один ряд на приводном валу, а поршни прижимаются к кулачкам с помощью пружин (на схеме не показаны).
Для достижения компактности конструкции кулачковых насосов часто цилиндры располагают радиально с пересечением осей в общем центре (рис. 4, в). Центр вращения кулачка 4 и в данной схеме смещен относительно его геометрической оси на величину е. Контактное давление между поршнем и кулачком 4 уменьшается с помощью башмаков 3. Поршни прижаты к башмакам пружиной 2.
Кулачковые поршневые насосы способны создавать высокие давления. Они применяются в различных гидроприводах, для нагнетания жидкости в гидропрессах, а также в качестве топливных насосов в дизельных двигателях, о которых вы подробно узнаете при изучении автомобилей и тракторов.
Насосы с проходным поршнем. Насосы такой конструкции отличаются компактностью: в них отсутствует рабочая камера, всасывающий клапан находится в рабочем цилиндре, а напорный — в поршне. Насосы с проходным поршнем применяются для подъема жидкостей из скважин, поэтому их называют погружными (рис. 5). В обсадную трубу пробуренной скважины опускается труба 6 с присоединенным к ней цилиндром 2, внутри которого находится поршень 3. Поршень дугой 4 соединен со штангой 5, которая приводится в возвратно-поступательное движение специальным механизмом. В нижней части труба 6 заканчивается всасывающим патрубком /, а в верхней — нагнетательным 7.
При подъеме поршня всасывающий клапан открывается и жидкость поступает в гидроцилиндр. При опускании поршня всасывающий клапан закрывается, давление в цилиндре повышается, вследствие чего открывается напорный клапан и жидкость через сквозное отверстие в поршне устремляется в пространство над ним. При очередном подъеме поршня одновременно с всасыванием происходит подача жидкости в нагнетательный патрубок.
Рис. 5
Насосы такого типа бывают и с ручным (рычажным) приводом — они используются для подъема воды из скважин (колодцев) на приусадебных участках. рис. 5.
Диафрагменные насосы.
Насосы представляет собой мембрану, поршнем, выполненную из эластичного материала (резины, кожи, ткани, пропитанной лаком, и др.).
Мембрана отделяет рабочую камеру от пространства, в которое жидкость не должна проникнуть.
В диафрагменном насосе, представленном на рисунке 6, а, клапанная коробка с всасывающим 5 и нагнетательным 4 клапанами расположена отдельно, а прогиб диафрагмы 3 осуществляется благодаря возвратно-поступательному движению плунжера 2 в цилиндре насоса /, заполненном специальной жидкостью. Диафрагменные насосы подобного типа часто применяются для перекачки жидкостей, загрязненных различными примесями (песком, илом, абразивными материалами), а также химически активных жидкостей и строительных растворов.(2)
Рис. 6. Схемы диафрагменного насоса с плунжерным (а) и рычажным (б) приводами диафрагмы.
Диафрагму можно приводить в движение не только с помощью плунжера, но и обычным рычажным механизмом. На рисунке 6, б показана схема диафрагменного насоса с рычажным приводом. Рабочая камера 5 имеет два патрубка: всасывающий 3 и напорный 1, которые сообщаются с камерой через всасывающий 4 и напорный 2 клапаны. Диафрагма 6 соединена со штоком 7, который совершает возвратно-поступательные движения. Диафрагменные насосы подобной конструкции используются в качестве бензонасосов на автомобильных двигателях. В этих насосах имеется два рычага: один — для ручной подкачки бензина и второй — для непрерывной его подачи во время работы двигателя. Последний приводится в движение специальным кулачком распределительного двигателя.
Классификация роторных насосов и их особенности.
Роторные насосы, так же как и поршневые, относятся к насосам объемного действия, работающим по принципу вытеснения жидкости. По характеру движения рабочих органов (вытеснителей) роторные насосы подразделяются на вращательные и вращательно-поступательные: к насосам вращательного движения относятся зубчатые (шестеренные, коловратные) и винтовые; к насосам вращательно-поступательного движения — пластинчатые (шиберные) и поршеньковые (радиальные и аксиальные).
Роторные насосы обычно состоят из трех основных частей:
статора (неподвижного корпуса), ротора, жестко связанного с валом, и вытеснителя (одного или нескольких). В некоторых конструкциях ротор одновременно является и вытеснителем.
Рабочий процесс роторных насосов имеет следующие особенности. При вращении ротора рабочие камеры перемещаются, изменяют свой объем и, отсекая жидкость от полости всасывания, перемещают ее в полость нагнетания. При таком принципе работы не нужны всасывающие и нагнетательные клапаны, и рабочий процесс делится на три этапа: заполнение рабочих камер жидкостью; замыкание рабочих камер и их перенос; вытеснение жидкости из рабочих камер.
Специфика рабочего процесса роторных насосов определяет их особые свойства:
1) большая быстроходность: частота вращения достигает
5-103 мин';
2) равномерность подачи, возможность ее регулирования и реверсирования;
3) обратимость, т. е. способность работать в качестве гидродвигателя;
4) способность создавать высокие давления при достаточно высоких КПД;
5) малые масса и объем, приходящиеся на единицу мощности;
6) большая надежность в работе;
7) способность работать только на чистых, не агрессивных жидкостях (не содержащих абразивных и других частиц), обладающих смазывающими свойствами, что обусловлено малыми зазорами вращающихся трущихся деталей, обработанных с высокой точностью.
Если первые шесть свойств являются преимуществом роторных насосов, то последнее — их недостатком, так как ограничивает область применения насосов.
Подача роторных насосов определяется размерами рабочего пространства и частотой вращения ротора, а также прочностью элементов насоса. Если задвижка на напорной линии случайно оказывается закрытой, то давление может возрасти выше допустимого, что вызовет поломку или повреждение насоса. Поэтому необходима предохранительная аппаратура, защищающая насосы от перегрузки, а прочность элементов насоса должна иметь достаточный запас (с учетом сопротивления напорной линии).
Роторные насосы находят самое широкое применение в технике, особенно в тех случаях, когда при сравнительно небольшой подаче необходимо обеспечить высокое давление. Они успешно применяются в гидропередачах, в автоматических устройствах и системах регулирования, в топливных системах газотурбинных и ракетных двигателей, в гидравлических прессах, в смазочных системах двигателей для перекачивания вязких жидкостей, в нефтяном, коксохимическом и других производствах.
Поскольку роторные насосы имеют свойство обратимости, т. е. способны работать в качестве гидродвигателей (гидромоторов) при подводе к ним жидкости под давлением, то в технической литературе их иногда называют гидромашинами; в дальнейшем мы будем использовать этот термин.(3)
Из всех роторных насосов шестеренные (зубчатые) имеют наиболее простую конструкцию. Они выполняются с шестернями внешнего или внутреннего зацепления. Наибольшее распространение получили насосы с шестернями внешнего зацепления. Насос состоит из пары одинаковых шестерен — ведущей и ведомой, находящихся в зацеплении и помещенных в корпусе насоса (статоре) с малыми торцовыми и радиальными зазорами. Ведущая шестерня приводится во вращение двигателем. При вращении шестерен в направлении, указанном на рисунке стрелками, жидкость, заполняющая впадины между зубьями, перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Так как крышка корпуса насоса достаточно плотно прилегает к торцам шестерен, то жидкость выжимается из впадин, когда зубья входят в зацепление на противоположной нагнетательной стороне насоса.
Вследствие разности давлений на всасываемой и на нагнетательной сторонах шестерни подвергаются воздействию радиальных сил, что может привести к заклиниванию ротора. Чтобы предотвратить чрезмерное увеличение давления в области нагнетания и образование вакуума на противоположной стороне при отходе зуба из впадин, в корпусе насосов выполняют разгрузочные каналы для выравнивания давления. Для этих же целей могут служить каналы и в роторных шестернях, полученные сверлением отверстий во впадинах зубьев.
В насосах высокого давления (свыше 10 МПа) торцовые зазоры уплотнены специальными «плавающими» втулками, которые прижимаются к шестерням при повышенном давлении. Для повышения давления жидкости применяют многоступенчатые шестеренные насосы, в которых подача каждой последующей ступени меньше подачи предыдущей. Они развивают давление до 20 МПа.
4. Устройство и принцип работы турбин основных типов.
Основным признаком, характеризующим тип турбины, является конструкция ее проточной части, которая состоит из трех основных конструктивных элементов: устройства, подводящего воду к рабочему органу; непосредственно рабочего органа или рабочего колеса; устройства, отводящего воду от рабочего колеса.
Конструкции турбин должны удовлетворять следующим требованиям: должна быть исключена возможность удара потока жидкости о подвижные и неподвижные, твердые и жидкие поверхности; потери на трение о твердые поверхности должны быть минимальными; отработанная жидкость должна выходить из турбины с возможно меньшим запасом энергии.
Ковшовая турбина (рис. 7).
Главным конструктивным элементом турбины является рабочее колесо. В зависимости от конструкции колеса и принципа взаимодействия его с потоком жидкости различают четыре вида турбин: ковшовые, осевые, диагональные и радиально-осевые.
Рассмотрим устройство и принцип работы турбин основных типов.
Турбина представляет собой рабочее колесо 7, укрепленное на валу 8 выше уровня воды. Колесо вращается в воздухе, и только часть лопаток взаимодействует с водой. Вода подаётся на рабочие лопасти 6
по трубопроводу 2 через сопло. Рабочее колесо состоит из диска, по окружности которого укреплены рабочие лопасти, по форме похожие на ковши (отсюда название ковшовая). Каждая лопасть выполнена в виде двух полусфер, разделенных ножом 5. Рабочее колесо установлено в корпусе таким образом, чтобы ножи совпадали с осью струи. При натекании на лопасти струи делятся ножом н