9434
.pdf10
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАШИНАХ
1.1. Основные свойства жидкостей и газов
Капельные жидкости характеризуются постоянством объема, практически не зависящего от давления. При незначительных давлениях сжимаемостью га- зов (с достаточной для практики точностью) пренебрегаем. Тогда можно счи- тать, что капельные жидкости и газы подчиняются общим законам. Поэтому под общим термином «жидкость» в дальнейшем будем подразумевать как ка- пельные, так и газообразные жидкости.
К основным физическим свойствам воды относятся плотность (или удель- ный вес), удельная теплоемкость, динамический и кинематический коэффици- енты вязкости, а также температура, которой характеризуются фазовые пре- вращения воды (затвердевание, кипение). Химически чистая вода при темпера-
туре +4°С имеет удельный вес γ = 1000 кг/м3 .
Характерные физические параметры воздуха могут быть получена из уравнения Клапейрона:
pa v = RT, |
(1.1) |
где pa - абсолютное давление, кг/м2 ; v=1/γ - удельный объем, м3 / кг;
Т - абсолютная температура, К;
R - газовая постоянная, кг×м/ (кг×К).
Физический смысл газовой постоянной R можно выявить из выражения R = pаvT ; газовая постоянная характеризует работу, производимую 1 кг газа при изменении его температуры на 1 градус.
При необходимости вместо удельного объема газа пользуются его обрат-
ной величиной - удельным весом γ = 1v , кг/м3 .
Вместо удельного веса газа может использоваться величина массовой плотности ρ , кг×с2 /м4 , представляющая собой отношение массы газа к его
11
объему:
ρ = |
m |
= |
G |
= |
γV |
= |
γ |
. |
(1.2) |
|
gV |
gV |
|
||||||
V |
|
|
|
g |
|
Связь между абсолютным давлением, удельным весом и температурой воздуха может быть получена из уравнения Клапейрона:
|
pа |
= RT ; |
|
|
pа1 |
= RT . |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
γ |
|
|
|
|
γ 1 |
|
|
1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
При pa = const |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
γ 1 |
= |
ρ1 |
|
= |
T |
, |
(1.3) |
||
|
|
γ |
ρ |
|
T |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
т. е. удельный вес или массовая плотность обратно пропорциональны абсолют- ной температуре газа.
При Т = const
pа |
= |
|
γ |
= |
ρ |
, |
(1.4) |
|
pа1 |
γ 1 |
ρ1 |
||||||
|
|
|
|
т. е. удельный вес или массовая плотность прямо пропорциональны абсолют- ному давлению газа.
Удельный вес воздуха можно найти по формуле:
γ 1 |
= |
To |
= |
273 |
|
, |
(1.5) |
|
|
T |
273 + t |
|
|||||
γ |
o |
|
|
1 |
|
|
||
|
1 |
|
|
|
|
где γ 1 - удельный вес воздуха при температуре T1 = 273 + t1 , К;
γ о - удельный вес воздуха при температуре To = 273 К (to = 0 °С); t1 - температура воздуха, °С.
Тогда удельный вес воздуха при его температуре t1 выразится зависимо-
стью: |
|
|
|
γ 1 = γ о × |
273 |
. |
(1.6) |
|
|||
|
273 + t1 |
|
При изменении барометрического давления в соответствии с формулой (1.4) удельный вес воздуха γ р составляет:
12 |
|
|
|
|
|
γ р = γ о |
|
pб |
, |
(1.7) |
|
760 |
|||||
|
|
|
где pб − барометрическое давление, мм рт. ст.
При одновременном изменении температуры и давления удельный вес
воздуха определяется из выражения: |
|
|
|
|
|
|
|
γ t,p = γ o |
|
pб × 273 |
|
. |
(1.8) |
||
760( 273 |
+ t1 ) |
||||||
|
|
|
Кроме температуры и давления на удельный вес воздуха оказывает влия- ние присутствие в нем водяных паров, удельный вес которых в 1,6 раз меньше сухого воздуха. Однако при обычных температурах в большинстве случаев влиянием водяных паров можно пренебречь.
На практике для расчета и выбора гидравлических машин, предназначен- ных для перемещения воздуха, принято понятие о стандартном воздухе,
имеющем удельный вес γ ст =1,2 кг/м3 . Этому значению соответствуют сле-
дующие условия: давление 760 мм рт. ст.; температура 20°С; относительная влажность воздуха около 50%.
Одной из важных физических характеристик движущейся жидкости явля- ется вязкость. Вязкостью называется способность жидкости сопротивляться сдвигающим усилиям. При действии сил сдвига в жидкости возникают напря- жения внутреннего трения, действующие тангенциально направлению ее пото- ка и препятствующие относительному перемещению отдельных струй.
Для упрощения картины представим себе две плоско- сти, разделенные слоем жид- кости (рис. 1.1). Нижняя плоскость неподвижна, верх- няя движется со скоростью V в направлении, указанном стрелкой. Эпюра скоростей
13
жидкости имеет форму треугольника.
Возникающее при движении верхней плоскости сопротивление, кг/м2 , на- правлено к ней тангенциально и равно:
τ = μ |
dv |
, |
|
|
|||
|
|
|
|
||||
|
dу |
|
|
||||
где dv dу - градиент скорости, 1/c; |
|
|
|||||
μ - динамический коэффициент вязкости, |
кг×с/м2 . |
|
|||||
Величина динамического коэффициента вязкости μ, кг×с/×м2 , равна: |
|
||||||
μ = τ |
dv |
|
. |
(1.9) |
|||
dу |
|||||||
|
|
|
|
Если динамический коэффициент вязкости разделить на массовую плот-
ность ρ, то получим кинематический коэффициент вязкости ν , м2 /с:
ν = μ ρ . |
(1.10) |
Для воды при температуре t = 20 °С динамический коэффициент вязкости
μ = 102,4 кг×с/(м2 ×10−6); кинематический коэффициент вязкости ν = 1,006
м2 /(с×106). Для сухого воздуха при температуре t = 20 °С динамический коэф-
фициент вязкости μ =1,85 кг×с/×м2 ×10−6; кинематический коэффициент вязкости
ν=15,06 м2 /с×106.
1.2. Классификация нагнетателей и область их применения
1.2.1. Классификация нагнетателей Гидравлической машиной называют устройство, преобразующее механиче-
скую работу в энергию потока жидкости и наоборот. Гидравлическая машина, в
которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию жидкости, называется нагнетателем. К нагнетателям относятся насо- сы и воздуходувные машины. Воздуходувные машины служат для повышения давления и подачи воздуха или другого газа. В зависимости от степени сжатия воздуходувные машины разделяют на вентиляторы и компрессоры.
14
Вентилятор − воздуходувная машина, предназначенная для подачи воз- духа или другого газа под давлением до 15 кПа при организации воздухообме- на или технологического процесса.
Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа.
Насос − устройство, служащее для напорного перемещения капельной жидкости в результате сообщения ей энергии.
Основное назначение нагнетателей − повышение полного давления пере- мещаемой среды. В зависимости от свойств среды (газ, чистая жидкость, за- грязненная жидкость и взвесь, вязкая жидкость, агрессивная жидкость, сжи- женный газ и т. п.) применяются нагнетатели различных типов и конструкций. В практике довольно часто названия нагнетателей даны в зависимости от их на- значения и особенностей эксплуатации. Нагнетатели классифицируют по принципу действия и конструкции на объемные и динамические.
Объемные нагнетатели работают по принципу вытеснения, когда давле- ние перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся возвратно-поступательные (диафрагменные, поршневые) и роторные (коак- сиально- и радиальнопоршневые, шиберные, зубчатые, винтовые) насосы.
Динамические нагнетатели работают по принципу силового воздействия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (радиальные, диамет- ральные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные).
Нагнетатели, используемые в системах теплогазоснабжения и вентиляции, должны удовлетворять следующим основным требованиям:
−соответствие фактических параметров работы (р, L, Q,, N) заданным рас- четным условиям;
−возможность регулирования подачи и давления в заданных пределах;
−устойчивость и надежность в работе;
−простота монтажа;
−бесшумность при работе.
15
Рассмотрим схемы и принципы действия нагнетателей разного типа.
В радиальном (центробежном) вентиляторе со спиральным кожухом
(рис. 1.2) перемещаемая среда, двигаясь в осевом направлении через всасы- вающий коллектор, попа- дает на вращающееся ра- бочее колесо, снабженное лопатками, изменяет на- правление своего движе-
ния к периферии колеса, Рис. 1.2. Схема радиального вентилятора: 1 – всасы-
закручивается в направ- |
вающий коллектор; 2 – рабочее колесо; 3 – спиральный |
|
кожух; 4 – лопатка; 5 – нагнетательный патрубок |
||
лении вращения, поступа- |
||
|
ет в спиральный кожух и затем через нагнетательный патрубок выходит из на- гнетателя. Рабочее колесо сидит на валу и приводится во вращение приводом. Вал вращается в подшипниках, укрепленных на станине или непосредственно на кожухе.
Аналогичную конструкцию и принцип действия имеет центробежный на- сос, изображенный на рисунке 1.3.
Рис. 1.3. Схема центробежного насоса: 1 − входной патрубок; 2 − рабочее колесо; 3 − корпус;
4 − нагнетательный патрубок; 5 − лопатка
К достоинствам ради- альных вентиляторов и цен-
тробежных насосов следует отнести возможность исполь- зования для привода высоко- скоростных электродвигате- лей, высокий кпд (более 80%), простоту изготовления, высокую равномерность по- дачи и относительную про- стоту ее регулирования.
16 |
|
|
|
|
|
В |
осевом |
вентиляторе |
|
|
(рис. 1.4) поток движется в на- |
|||
|
правлении оси вращения и не- |
|||
|
которое закручивание приобре- |
|||
|
тает лишь при выходе из ко- |
|||
|
леса. Поток через всасываю- |
|||
|
щий коллектор |
поступает во |
||
Рис. 1.4. Схема осевого вентилятора: 1 − всасы- |
входной |
направляющий аппа- |
||
рат, затем в рабочее колесо и в |
||||
вающий коллектор; 2 − входной направляющий |
||||
аппарат; 3 − рабочее колесо; 4 − выходной на- |
выходной направляющий аппа- |
|||
правляющий аппарат; 5 − кожух (обечайка); 6 |
рат. Колесо установлено на ва- |
|||
− обтекатель |
лу, вращающемся в подшипниках, укрепленных на стойках. Колесо и направ- ляющие аппараты заключены в кожух (обечайку). Втулка рабочего колеса име- ет обтекатель.
Аналогичную конструкцию и принцип действия имеет осевой насос. Осе- вые нагнетатели просты в изготовлении, компактны и реверсивны.
В прямоточном радиальном вентиляторе (рис. 1.5) перемещаемая среда
вначале также движется в осевом направлении и поступает во вращающееся рабочее колесо, где под действием центробежной силы проходит в радиальном
направлении в межлопаточном пространстве и выходит в осевом направлении по кольцу через радиальный лопастной диффузор, стенки которого имеют кри- волинейную форму, а лопат-
|
ки установлены на осесим- |
|
|
метричном |
коленообразном |
|
участке диффузора. В диф- |
|
|
фузоре часть динамического |
|
|
давления |
преобразуется в |
|
статическое. Кпд вентилято- |
|
|
ра достигает 70%. Одним из |
|
Рис. 1.5. Схема прямоточного вентилятора: 1− |
преимуществ вентиляторов |
|
корпус; 2 − рабочее колесо; 3 − диффузор |
|
|
17
такого типа является возможность размещения электродвигателя внутри кожу- ха.
Смерчевой венти-
лятор (рис. 1.6) имеет рабочее колесо с не- большим числом лопа- ток, прикрепленных к заднему диску. Это ко- лесо размещено в спе-
циальной нише в задней стенке спирального ко- жуха. При вращении ко-
леса возникает вихревое течение, аналогичное атмосферному вихрю (смерчу), в центральной и периферийной частях которого образуется перепад давления, являющийся побудителем движения воздуха. Вследствие этого основная часть потока с содержащимися в нем примесями проходит через нагнетатель, минуя рабочее колесо. Коэффициент полезного действия вентилятора не превышает
60 %.
Дисковый вентилятор (рис. 1.7) относится к нагнетателям трения. Рабочее колесо у такого нагнетателя представляет собой пакет дисков (колец), распо-
|
ложенных |
с не- |
|
большим |
зазором |
|
перпендикулярно |
|
|
оси вращения коле- |
|
|
са. Передача энер- |
|
|
гии от колеса потоку |
|
|
жидкости |
происхо- |
|
дит в |
результате |
Рис. 1.7. Схема дискового вентилятора: 1 − корпус; |
действия сил трения |
|
|
|
|
2 − рабочее колесо |
в пограничном воз |
18
духе, образующемся на дисках. Коэффициент полезного действия таких нагнетателей не превышает 40...45 %.
Диаметральный вентилятор (рис. 1.8) имеет следующий принцип дейст- вия. Если во вращающееся колесо барабанного типа поместить неподвижное тело, расположенное несимметрично относительно оси колеса, то осесиммет- ричный вихрь, образующийся вокруг колеса, смещается в сторону, и возникает течение воздуха через колесо в сторону меньшего сечения. Поперечное течение появляется также при установке лопаточного колеса в несимметричном коле- нообразном корпусе.
Рис. 1.8. Схема диаметрального вентилятора:
1 − рабочее колесо; 2 − корпус; 3 − неподвижное тело
Диаметральные вентиляторы имеют следующие преимущества по сравне- нию с радиальными: диаметральные вентиляторы с широкими колесами могут непосредственно присоединяться к воздуховодам, имеющим сечение в форме вытянутого прямоугольника; вентиляторы могут создавать значительные дав- ления даже при невысоких окружных скоростях рабочих колес, поскольку по- ток воздуха дважды пересекает лопаточное колесо. Недостатки, мешающие бо- лее широкому применению диаметральных вентиляторов: невысокий кпд; по- вышенный уровень шума; существенные перегрузки электродвигателя при уменьшении сопротивления сети.
Вихревой насос характеризуется сравнительно малой быстроходностью и применяется для перекачки воды и других невязких жидкостей. В этих насосах
19
подвод и отвод жидкости осуществляется по касательной к рабочему колесу
(рис. 1.9).
Рис. 1.9. Схема вихревого насоса: 1 − рабочее коле- со; 2 − лопатка; 3 − корпус; 4 − всасывающее от- верстие; 5 − нагнетательное отверстие
У вихревых насосов потребляемая мощность при нулевом расходе мак-
симальна и равномерно уменьшается при увеличе- нии подаваемого объема.
Поршневой нагнета-
тель (рис. 1.10) состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого переме- щается поршень с кольца-
ми, всасывающего и нагнетательного клапанов.
Поршень в корпусе совершает возвратно-поступательное движение. Пре- образование вращательного движения привода в возвратно-поступательное движение поршня осуществляется с помощью кривошипно-шатунного меха- низма. При движении поршня вправо открывается клапан 3, и жидкость запол-
|
няет |
пространство |
внутри |
|
|
корпуса. При этом клапан 4 |
|||
|
закрыт. При движении порш- |
|||
|
ня влево клапан 3 закрыт, от- |
|||
|
крывается клапан 4, и жид- |
|||
|
кость выталкивается в нагне- |
|||
Рис. 1.10. Схема поршневого нагнетателя: |
тательный трубопровод. |
|||
1 − корпус; 2 − поршень; 3 − всасывающий кла- |
Поршневые нагнетатели |
|||
пан; 4 − нагнетательный клапан |
||||
|
|
|
||
|
имеют |
следующие |
достоин- |
ства: высокий кпд (до 95%); возможность получения высоких давлений; неза- висимость подачи от противодавления в сети. К недостаткам относятся: гро- моздкость конструкции; невозможность использования для привода электро-