Контрольной работы № 2

Задачи 2.1, 2.2. Перед решением задач следует изучить: характеристики центробежных насосов; работу центробежного насоса на сеть; зависимость напора, подачи и мощности насоса от частоты вращения; пересчет рабочих характеристик центробежных насосов на другую частоту вращения; последовательную и параллельную работу насосов на сеть [1, 3, 4]. Каждая предлагаемая задача состоит из двух вопросов.

При ответе на первый вопрос определяют рабочую точку насоса.

Для определения рабочей точки насоса следует на заданную характеристику насоса Н = f(Q), вычерченную на миллиметровке, наложить в том же масштабе характеристику трубопровода, построенную по уравнению:

(4.1)

где H _r - геометрическая высота подъема жидкости, не зависящая от расхода и равная разности отметок уровней жидкости в напорном и приемном резервуарах;

h - потеря напора, м;

- коэффициент гидравлического трения;

l - длина трубопровода, м;

- скорость движения жидкости, м/с;

d - диаметр трубопровода, м;

g - ускорение силы тяжести, м/с².

При расчете характеристики трубопровода следует задаваться несколькими значениями Q, равными 0, 5, 10, 20, и для каждого из них вычислить значения H. Расчеты свести в таблицу.

Точка пересечения характеристики насоса H с характеристикой трубопровода определит рабочую точку насоса A₁ Соответствующие ей напор , подача , КПД насоса и мощность определяются способом, указанным на рисунке 4.1.

При ответе на второй вопрос следует воспользоваться методическими указаниями в каждой задаче, приведенными ниже.

Задача 2.1. Необходимо построить характеристику трубопровода при измененной величине геометрической высоты подъема жидкости.

Задача 2.2 Необходимо определить новую рабочую точку насоса при неизменной характеристике трубопровода и новой характеристике насоса.

Для построения новой характеристики насоса при частоте вращения n₂ следует на заданной характеристике насоса Н = f (Q) при n₁ взять несколько произвольных точек (например для Q, равных 0, 10, 20, 30 л/с) и для каждой из них снять с графика соответствующее значение Н. Далее, используя уравнения гидродинамического подобия лопастных машин

(4.2)

следует вычислить для каждой Рисунок 4.1

точки новые значения расхода Q₂

и напора Н₂. По новым значениям Q₂ и Н₂ построить новые точки и через них провести новую характеристику насоса Н. Точка пересечения новой характеристики насоса с характеристикой трубопровода определит новую и рабочую точку насоса.

Задачи 2.3, 2.4. Перед решением этих задач следует изучить раздел гидравлических машин, посвященный устройству и принципу действия объемного гидравлического привода и гидропередачи, устройству силовых гидроцилиндров, распределительных устройств, предохранительных и редукционных клапанов и устройств [1, 3, 5]. При расчете гидравлической передачи рекомендуется придерживаться следующей последовательности:

1. Начертить схему гидравлической передачи.

2. Определить давление р в силовом цилиндре гидродвигателя в зависимости от величины усилия, прикладываемого к штоку одного поршня (см. таблицу 4.1).

Таблица 4.1

Усилие G, кН	Давление р, МН/м2
10 – 20 20 – 30 30 – 50 50 – 100	10 12 16

Следует помнить, что в условии дано усилие, приходящееся на штоки всех цилиндров.

3. Зная величину усилия G, приходящегося на один цилиндр гидродвигателя, и задавшись величиной давления р, следует вычислить площадь цилиндра гидродвигателя, определить его диаметр и по полученному значению d_ц подобрать стандартный диаметр.

По стандарту приняты следующие внутренние диаметры гидроцилиндров: 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 180, 200, 220 мм.

4. Определить диаметр штока, помня, что соотношение диаметра штока d_ш и внутреннего диаметра цилиндра d_ц зависит от давления в гидросистеме и определяется следующим образом:

1) площадь цилиндра при одностороннем штоке

; (4,3)

2) площадь цилиндра при двустороннем штоке

(4.4)

3) соотношение диаметров штока и поршня при р до 10 МН/м²

(4.5)

4) соотношение диаметров штока и поршня при р свыше 10 МН/м²

(4.6)

5) по полученным значениям d_ш выбрать стандартные диаметры штока.

По стандарту приняты следующие диаметры штоков: 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 140, 160, 180 мм.

5. Определить расход масла в цилиндре гидродвигателя и подачу насоса.

6. Определить диаметр трубопроводов d_т гидросистемы, задавшись скоростью движения масла. В напорных трубопроводах м/с. По полученному значению d_т подобрать стандартный диаметр трубопровода. По ГОСТ 12445-80 приняты следующие диаметры трубопровода: 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80 мм.

7. Установить соответствующие этим диаметрам фактические скорости движения жидкости в трубопроводах.

8. С учетом фактических скоростей определить потери напора в трубопроводах гидросистемы. Их следует рассчитывать как «короткие», т.е. учитывать потери напора по длине и в местных сопротивлениях.

Для местных сопротивлений при числах Рейнольдса Re<10⁵ часто применяют выражение местных гидравлических потерь через эквивалентные длины трубопровода, т.е. фактическую длину трубопровода увеличивают на длину, эквивалентную по своему сопротивлению местным сопротивлениям, и тогда расчетная длина трубопровода l_р слагается из фактической l и эквивалентной L_э длины:

(4.7)

где d – диаметр трубопровода, м;

- коэффициент гидравлического трения;

- сумма значений коэффициентов местных сопротивлений.

Значения коэффициентов местных сопротивлений, встречающиеся в гидравлических передачах, приведены в ПРИЛОЖЕНИИ А.

9. Определить напор насоса,

(4.8)

где р_ф – фактическое давление в силовом цилиндре,

h – потери напора.

Фактическое давление в силовом цилиндре

(4.9)

где G – усилие, приходящееся на шток одного цилиндра;

S_стц – площадь цилиндра стандартного диаметра.

10. Вычислить мощность насоса

(4.10)

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

1 История развития дисциплины «Гидравлика и гидравлические машины». Труды Архимеда, Леонардо да-Винчи. Вклад в развитие науки Ньютона, Паскаля, Торичелли. Работы Ломоносова, Бернулли, Эйлера.

2 Первая в истории человечества гидравлическая машина, гидравлическая передача. Исследования Н.Жуковского, Феттингера. Наши современники и их вклад в развитие дисциплины.

3 Понятие «жидкость». Капельная, реальная, идеальная, упругая жидкость.

4 Силы, действующие в жидкости. Массовые и поверхностные.

5 Механические характеристики жидкости. Физические свойства капельной жидкости (сжимаемость, вязкость, поверхностное натяжение, температурное расширение, капиллярность, испаряемость, растворимость газов.)

6 Гидростатическое давление (ГД). Два основных свойства ГД (с доказательством).

7 Гидростатическое давление: атмосферное, избыточное, вакууметрическое, абсолютное.

8 Понятие нормального атмосферного давления, технической и физической атмосферы. Единицы измерения давления.

9 Основное уравнение гидростатики (вывод). Закон Паскаля. Устройство, в принципе действия, которого лежит закон Паскаля.

10 Гидростатический парадокс. Героновы фонтаны, устройство, принцип действия.

11 Приборы, применяемые для измерения давления (атмосферного, избыточного, вакууметрического). Устройство, принцип действия. Класс точности приборов.

12 Дифференциальные уравнения покоящейся идеальной жидкости (Уравнения Л.Эйлера). Вывод уравнений.

13 Относительный покой жидкости. Пример применения уравнений Л.Эйлера для покоющейся идеальной жидкости для решения практических задач.

14 Определение силы гидростатического давления на плоскую стенку, расположенную под углом к горизонту. Центр давления.

15 Положение центра давления в случае прямоугольной площадки, верхняя кромка которой лежит на уровне свободной поверхности.

16 Определение силы гидростатического давления на криволинейную поверхность. Эксцентриситет. Объем тела давления.

17 Закон Архимеда. Вывод уравнения для определения Архимедовой силы. Центр водоизмещения.

18 Условия плавания и остойчивости тела. Метацентр. Метацентрическая высота. Ватерлиния. Осадка. Запас плавучести.

19 Виды движения жидкости (установившееся, неустановившееся, равномерное, неравномерное, напорное, безнапорное).

20 Элементы потока жидкости (линия тока, поверхность тока, трубка тока, элементарная струйка, площадь живого сечения).

21 Понятие расхода жидкости. Определение скорости осредненной по живому сечению.

22 Уравнение неразрывности потока. Вывод уравнения. Применение уравнения к решению практических задач.

23 Уравнение Д.Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости.

24 Геометрический смысл уравнения Бернулли.

25 Энергетический смысл уравнения Бернулли. Полный напор. Напорная и пьезометрическая линии.

26 Гидравлические элементы живого сечения (площадь живого сечения, длина смоченного периметра, гидравлический радиус).

27 Два режима движения жидкости (ламинарный и турбулентный).

28 Опыты О.Рейнольдса. Критические числа Рейнольдса. Определение числа Рейнольдса.

29 Потери напора. Определение потерь напора по длине при ламинарном режиме движения. Вывод уравнения Пуазейля. Закон Пуазейля.

30 Уравнение Вейсбаха-Дарси (вывод). Коэффициент Дарси (коэффициент гидравлического трения) в случае ламинарного движения.

31 Определение коэффициента Дарси в случае начального участка ламинарного движения.

32 Определение коэффициента Дарси в случае движения с теплообменом.

33 Определение потерь напора при ламинарном режиме движения при движении в зазоре.

34 Определение потерь напора по длине в случае больших перепадов давления.

35 Определение коэффициента Дарси при турбулентном режиме движения. 36 Коэффициент эквивалентной шероховатости. Гидравлически гладкие и шероховатые трубы.

37 Уравнения для определения коэффициента Дарси в случае области гладкого трения, доквадратичного и квадратичного сопротивления.

38 Графики Никурадзе. Определение коэффициента Дарси опытным путем.

39 Графики Мурина. Определение коэффициента Дарси опытным путем.

40 Виды местных сопротивлений.

41 Определение потерь напора на местные сопротивления.

42 Вывод общего уравнения Вейсбаха.

43 Определение коэффициентов местных сопротивлений для внезапного и плавного расширения, внезапного и плавного сужения, поворота трубы на 90⁰.

44 Явление кавитации. Критическое число кавитации.

45 Уравнение Д.Бернулли для потока реальной жидкости, пьезометрический и гидравлический уклон.

46 Геометрический и энергетический смысл уравнения Д.Бернулли для потока реальной жидкости.

47 Дифференциальные уравнения движущейся идеальной жидкости (уравнения Л.Эйлера). Вывод уравнений.

48 Определение скорости и расхода при истечении жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном расходе. Коэффициенты сжатия, скорости и расхода. Уравнение Торичелли.

49 Истечение жидкости под уровень через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре.

50 Определение времени опорожнения сосуда.

51 Вывод уравнения траектории струи. Определение дальности отлета струи.

52 Истечение жидкости через насадки. Устройство и принцип действия насадка Вентури, Борда, расходящегося и сходящегося внешних насадков. Определение расхода и скорости.

53 Коэффициенты сжатия, скорости и расхода насадков. Уравнения для определения скорости и расхода насадка.

54 Явление гидравлического удара. Скорость распространения ударной волны (формула Н.Жуковского).

55 Определение превышения давления в трубопроводе при гидроударе. Фаза и период гидроудара.

56 Прямой и непрямой гидроудар. Определение превышения давления.

57 Устройство и принцип действия гидротарана (достоинства и недостатки).

58 Способы борьбы с возникновением гидроудара в трубопроводе.

59 Гидравлический расчет трубопроводов. Трубопроводы простые и сложные, короткие и длинные.

60 Построение трубопроводной характеристики. Статический напор, потребный напор.

61 Построение трубопроводной характеристики при параллельном и последовательном соединении коротких трубопроводов.

62 Расчет длинных трубопроводов. Определение магистрали. Понятие коэффициента расхода. Построение трубопроводной характеристики в случае тупикового трубопровода.

63 Подбор насоса, работающего на трубопроводную систему. Построение трубопроводной характеристики. Определение потребного напора. Поле насосов. Характеристики насоса. Определение рабочей точки насоса.

64 Основы теории подобия. Геометрическое, кинематическое и динамическое подобие.

65 Критерии подобия: числа Рейнольдса, Вебера, Струхаля, Маха, Фруда, Эйлера, Ньютона.

66 История развития гидравлических машин. Вклад М.Ломоносова, Л.Эйлера, наших современников в развитие теории создания гидравлических машин.

67 Классификация насосов. Классификация гидродвигателей.

68 Энергия потока жидкости, параметры: мощность и давление.

69 Основные параметры насосов. Напор, мощность, к.п.д., подача, допустимая высота всасывания. Баланс мощности в насосе.

70 Объемные поршневые гидромашины. Принцип действия и классификация.

71 Устройство, принцип действия поршневого насоса одиночного действия.

72 Устройство, принцип действия поршневого насоса двойного действия.

73 Определение подачи поршневого насоса одиночного действия. Построение графика подачи.

74 Определение подачи поршневого насоса двойного действия. Построение графика подачи.

75 Действительная подача поршневого насоса. Объемный к.п.д.

76 Мощность, потребляемая поршневым насосом. Индикаторная диаграмма.

77 Определение к.п.д. поршневого насоса. Запас мощности на случай перегрузки.

78 Устройство и принцип действия радиально-поршневых насосов. Кинематическая схема. Секундная подача. Достоинства и недостатки.

79 Устройство и принцип действия аксиально-поршневого насоса. Ход поршня. Теоретическая производительность.

80 Шестеренные насосы. Устройство и принцип действия. Достоинства и недостатки.

81 Принцип действия и устройство силовых гидроцилиндров. Их классификация.

82 Устройство и принцип действия силовых гидроцилиндров одностороннего действия. Усилие на штоке. Скорость перемещения поршня.

83 Устройство и принцип действия силового гидроцилиндра двустороннего д6ействия. Усилие на штоке. Скорость перемещения поршня.

84 Устройство и принцип действия квадрантов. Определение удельной подачи.

85 Классификация лопастных насосов. Схема центробежного насоса.

86 Принцип действия, устройство и область применения осевого насоса.

87 Принцип действия и устройство активных и реактивных лопастных турбин.

88 Устройство и принцип действия пропеллерных турбин.

89 Кинематика частицы жидкости в канале центробежного насоса. Треугольники скоростей.

90 Вывод основного уравнения лопастных машин.

91 Влияние формы лопастей центробежного насоса на напор. Коэффициент закручивания. Коэффициент реактивности.

92 Определение числа лопастей центробежного насоса.

93 Определение гидравлических потерь в лопастном насосе.

94 Действительный напор лопастного насоса с учетом потерь.

95 Характеристики центробежного лопастного насоса. Помпаж.

96 Кавитационные испытания лопастного насоса.

97 Гидродинамическое подобие в лопастных насосах. Пересчет характеристики насоса на другую частоту вращения.

98 Коэффициент быстроходности в лопастных насосах.

99 Устройство и принцип действия осевого насоса.

100 Характеристики осевого насоса.

101 Гидродинамические передачи. Устройство и принцип действия гидротрансформатора. К.п.д., мощность, крутящие моменты гидротрансформатора.

102 Характеристики гидротрансформатора. Его назначение.

103 Устройство и принцип действия гидромуфты. Характеристики гидромуфты.

104 Назначение, устройство и принцип действия объемных гидроприводов. Достоинства и недостатки. Рабочие жидкости.

105 Регулирование объемных гидроприводов.

Приложение А

Таблица А.1 – Зависимость давления насыщенных паров воды от температуры

Таблица А.2 – Зависимость коэффициента кинематической вязкости воды от