Трифонова Г.О., Трифонова О.И. Гидродинамические машины и передачи

Подождите немного. Документ загружается.

МОСКОВСКИЙ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Г.О. Трифонова, О.И. Трифонова

Гидродинамические машины и передачи

Учебное пособие

Допущено УМО вузов РФ по образованию

в области транспортных машин и транс-

портно-технологических комплексов в ка-

честве учебного пособия для студентов

вузов, обучающихся по специальностям

направления подготовки «Транспортные

машины и транспортно-технологические

комплексы».

МОСКВА 2009

УДК 621. 838. 43

ББК – 22. 253. 3-5

Трифонова Г.О., Трифонова О.И. Гидродинамические машины

и передачи: Учебное пособие/ МАДИ (ГТУ). – М., 2009.- 72с.

Рецензенты:

зав. кафедрой системы приводов Московского государственного

технологического университета «СТАНКИН» канд. техн. наук, доц.

Сазанов И.И.;

д-р техн. наук, проф. МГТУ «СТАНКИН» Васильев К.И.

Учебное пособие составлено в соответствии с учебной про-

граммой курса «Гидравлика и гидропневмопривод», в котором из-

ложены темы курсов «Гидродинамические машины» и «Гидродина-

мические передачи». В пособии изложены основы теории лопастных

машин и гидродинамических передач. Описаны устройства, принцип

действия, характеристики лопастных насосов и гидротурбин, гидро-

динамических муфт и гидротрансформаторов. Рассмотрена совме-

стная работа гидродинамических передач с двигателем внутреннего

сгорания, даны рекомендации по применению гидродинамических

передач в приводах различных машин.

Пособие предназначено для студентов механических специаль-

ностей очного и заочного обучения.

(государственный технический университет), 2009

- 3 -

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………. 5

1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ МАШИНЫ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ,

РАЗНОВИДНОСТИ………………………………………………….. 6

1.1.Гидродинамические источники энергии………………….. 6

1.2.Параметры гидродинамических машин………………….. 8

1.3. Баланс энергии в гидродинамическом насосе………….. 9

1.4. Основное уравнение гидродинамических насосов…….. 9

1.5. Осевая сила в гидродинамических насосах…………….. 11

1.6. Конструкции гидродинамических насосов……………… 12

1.7. Гидротурбины……………………………………………….. 22

1.8. Насосы трения и инерции…………………………………. 25

1.9 Вопросы для самоконтроля по первой главе …………… 29

2. ОСНОВЫ РАСЧЕТА СИЛОВЫХ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ МАШИН… 30

2.1. Подобие гидродинамических машин…………………….. 30

2.2. Законы подобия…………………………………………….. 31

2.3. Коэффициент быстроходности гидродинамических

насосов………………………………………………………. 32

2.4. Насосная установка и её характеристика………….. 34

2.5. Работа насоса на сеть………………………………….. 37

2.6. Регулирование режима работы насоса………………. 39

2.7. Высота всасывания и кавитация центробежных

насосов……………………………………………………… 41

2.8. Подбор гидродинамического насоса по каталогу…. 43

2.9. Вопросы для самоконтроля по второй главе ……… 47

3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ …………………… 48

3.1. Общие сведения о гидродинамических передачах…. 48

3.2. Принцип действия гидродинамических муфт……… 50

3.3. Полная внешняя характеристика гидромуфт ……. 56

3.4. Конструкции гидромуфт……………………………….. 57

3. 5. Гидродинамические трансформаторы…………….. 61

3. 6. Уравнения моментов для рабочих колес…………… 66

3.7. Характеристика гидротрансформатора………….. 66

3. 8. Конструкции гидротрансформаторов…………… 68

3.9 Вопросы для самоконтроля по третьей главе …. 69

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………. 71

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………… 71

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов,

обучающихся по направлениям: 651400 (150 200) – Машинострои-

тельные технологии и оборудование. Специальность170 600

(150 205) «Оборудование и технология повышения износостойкости

и восстановление деталей машин и аппаратов»; 653 300 – «Экс-

плуатация транспорта и транспортного оборудования»; 653 200

(190 200)– «Транспортные машины и транспортные технологические

комплексы». Специальность 150 300 (190 202) «Многоцелевые гусе-

ничные и колесные машины». Специальность 150 600 (190 204)

«Средства аэродромно-технического обеспечения полетов авиа-

ции».

Гидродинамические машины на современном этапе развития

техники являются важнейшими элементами различных систем: как

получения электроэнергии, так и водоснабжения, канализации, пе-

рекачки нефти и газа при транспортировке, подаче топлива в само-

лётах и ракетах, системах охлаждения и смазки в приводах автомо-

билей.

Гидродинамические передачи применяют для защиты двига-

теля от перегрузок. Их использование целесообразно в приводах

машин с тяжелыми условиями пуска и резкими колебаниями нагруз-

ки. Эти передачи гасят рывки при трогании с места и переключении

передач автомобиля. Использование на автомобилях гидродинами-

ческих передач позволяет получать малые скорости ведущих колёс,

обеспечивающих высокую проходимость машины.

Это пособие предполагает:

• изучение принципов действия и наиболее распространенных

конструкций гидродинамических насосов;

• усвоение основ расчета кинематических и силовых характери-

стик гидродинамических насосов;

• изучение принципов действия и основных конструкций гидро-

муфт и гидротрансформаторов.

Первая глава - «Гидродинамические машины, принцип дейст-

вия, разновидности» написана Трифоновой Ольгой Игоревной. Вто-

рая и третья главы написаны Трифоновой Галиной Олеговной.

Все замечания и предложения авторы примут с благодарностью

и учтут их в дальнейшей работе.

По вопросам приобретения учебного пособия следует обра-

щаться по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, д.64,

МАДИ(ГТУ), кафедра гидропривода и гидропневмоавтоматики. Тел.

8-499-1550441, E-mail: hydRotec@gp.madi.RU.

1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ МАШИНЫ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ,

РАЗНОВИДНОСТИ

Гидродинамические машины состоят из источников гидравличе-

ской энергии, создаваемой на основе кинетической энергии потока

жидкости (гидродинамические насосы) и устройств, преобразующих

кинетическую энергию потока жидкости в механическую энергию

(турбины).

1.1.Гидродинамические источники энергии

Рабочим органом гидродинамических машин является вра-

щающееся рабочее колесо, снабженное профильными лопатками. В

одних машинах лопатки направляют поток жидкости перпендику-

лярно, а в других вдоль оси вращения рабочего колеса. В связи с

этим их разделяют на центробежные и осевые машины.

Центробежным называется гидродинамический насос, в кото-

ром жидкость перемещается от центра к периферии. Центробежный

насос (рис.1) состоит из: 1- подвода; 2- рабочего колеса, которое со-

стоит из ведущего диска б, укрепленного на валу, ведомого диска а,

между двумя дисками находятся лопатки в; 3- отвода в форме

диффузора 4 со спиральной осью, обернутой вокруг всего лопаст-

ного колеса. Ведущим диском рабочее колесо крепится на валу, ко-

торый приводится во вращение двигателем.

Рис. 1.

Принципиальная схема центробежного насоса:

1 — подвод; 2 — рабочее колесо; 3 — отвод; 4 — диффузор; 5 — язык

При обтекании потоком крылового профиля лопаток на его

верхней и нижней поверхностях образуется перепад давления, сле-

довательно, возникает подъёмная сила F (рис. 2). К рабочему коле-

су от двигателя подводится энергия, которая согласно закону о со-

хранении энергии передается жидкости и увеличивает её энергию.

Дальше энергия жидкости частично превращается в тепловую энер-

гию из-за трения между слоями жидкости и о стенки насоса и теря-

ется. Но большая часть энергии остается.

Рис. 2.

Схема обтекания потоком профиля лопатки

У гидродинамических машин вход и выход не разделены, по-

этому насосы в большинстве несамовсасывающие, перед пуском

должны быть заполнены жидкостью. Вращение рабочего колеса

осуществляется в сторону противоположную загибу лопастей. Насо-

сы обеспечивают стабильную подачу жидкости без пульсации. Ус-

ловное обозначение гидродинамических насосов показано на рис. 3.

Рис. 3.

Изображение лопастных насосов по ГОСТ

Частица жидкости совершает сложное движение: переносное

вращательное движение вместе с колесом со скоростью и отно-

сительное движение под действием центробежных сил вдоль про-

филя лопасти со скоростью

W (рис. 4). Сумма относительного и пе-

реносного движений дает абсолютное движение жидкости, движе-

ние жидкости относительно неподвижного корпуса со скоростью

Относительная скорость направлена по касательной к лопатке.

Переносная окружная скорость направлена по касательной к ок-

ружности, на которой расположена рассматриваемая точка, в сто-

рону вращения колеса.

Рис. 4.

Схемы движения жидкости в рабочем колесе центробежного насоса

Разложим абсолютную скорость

(см. рис. 4) на две со-

ставляющие: - окружную составляющую абсолютной скорости и

- меридиональную скорость. Сечение, проходящее через рас-

сматриваемую точку и ось вращения, называется меридиональным

сечением. Окружная составляющая скорости на входе опреде-

ляется конструкцией подвода. Подводы типа прямоосного конфузо-

ра поток не раскручивают, при этом

. Для спирального подво-

да жидкости и для обратных каналов направляющего аппарата,

служащих подводом промежуточных ступеней секционных насосов,

окружная составляющая не равна нулю.

1.2.Параметры гидродинамических машин

Параметры, характеризующие работу гидродинамических ма-

шин, делятся на внутренние и внешние.

Внешние характеризуют энергетическое состояние вала – это

параметры машины: - обороты вала машины;

- крутящий мо-

мент на валу;

- мощность на валу насоса,

MωN

где

2ππ

ω =

Внутренние характеризуют энергетику потока: - расход или

подача;

- давление; - напор это энергия, сообщаемая насосом

единице веса жидкости или это разность удельных энергий, которой

обладает жидкость между входом и выходом насоса, т.е.

()

gρ

ZZH

нкн

кн

−

⋅

−

+−=

в метрах столба перекачиваемой

жидкости, где - удельная потенциальная энергия ( индекс н - сече-

ние на входе в колесо, индекс к – выход из колеса); - мощность

потока .

ρgHQN

Мощность насоса больше полезной мощности потока на вели-

чину потерь в насосе. Коэффициент полезного действия насоса -

1.3. Баланс энергии в гидродинамическом насосе

К насосу подводится мощность

(мощность, потребляемая

насосом). Часть этой мощности теряется. Потери мощности в насо-

се делятся на: механические, объёмные, гидравлические

гидобмехп

ΔNΔNΔNNN

−

−=

Механическими потерями мощности являются потери на

трение в подшипниках, в уплотнениях вала, на трение наружной по-

верхности рабочих колес о жидкость. Это примерно

мех

ΔN

()

мех

ΔNN%74 =⋅⋅⋅⋅

Мощность, остающаяся за вычетом механических потерь, пе-

редается рабочим колесом жидкости. Это гидравлическая мощность

. Механический коэффициент полезного действия

насоса будет

мехгид

ΔNNN −=

гид

мех

Объёмные потери мощности определяются утечками.

Внешними утечками через уплотнения и внутренними через полости

между ведомым диском и корпусом. Это примерно

об

ΔN

()

об

ΔN%105N =⋅⋅⋅

Гидравлические потери мощности являются потерями на

трение между слоями жидкости в подводе, каналах рабочего колеса,

в отводе

гид

ΔN

()

гид

ΔN%3015N =

⋅

⋅⋅

1.4. Основное уравнение гидродинамических насосов

Основное уравнение получено на основании теоремы о коли-

честве движения жидкости, движущейся во вращающемся канале.

Допустим, что движение установившееся, струйное, без гидравли-

ческих потерь.

Пусть есть какой-то объём жидкости между двумя лопатками.

За время этот объём жидкости сместится от центра к периферии

(рис. 4). Сечение 1-1, когда струйка попала на колесо, и сечение 2-2,

когда струйка слетает с лопатки. Момент количества движения в се-

чениях соответственно будет :

2222

1111

OAmVL

здесь

- абсолютная скорость в сечениях, - масса жидкости (мас-

са не меняется в сечениях, и поэтому

ρQdtmm

, где

- плот-

ность жидкости). Отрезки находим из геометрических треугольников

cosαOA

Момент внешних сил

это производная по времени от мо-

мента количества движения

−

= или

[]

111222

cosαRVcosαRVQρM

−

⋅=

QpMωN

теор

Мощность это

или

, что и

[]

111222теор

cosαRVcosαRVQρQp

−

⋅=

ωRU =

ωRU

учитывая получаем

[]

111222

тео

теор

cosαUVcosαUV

gρ

H −=

⋅

= .

Основное уравнение для гидродинамических насосов впервые

было

р будет при , т.е. ко-

гда ж ном на

получено Эйлером. Оно связывает напор насоса со скоростя-

ми движения жидкости, зависящими от подачи, частоты вращения

насоса и от геометрии рабочего колеса.

Максимальный теоретический напо

°= 90α

идкость в рабочее колесо поступает в радиаль правле-

нии. При этом

cosαUV

222

. В выражение теоретического напо-

напор не зависит от рода перекачиваемой жидкости, т.е. напор бу-

дет одинаков при перекачивании нефти, воды или молока. На вели-

чину напора влияет форма лопастей рабочего колеса.

Рабочие органы насоса рассчитывают для опред

теор

ра не входит объёмный вес жидкости, значит, развиваемый насосом

еленного со-

четан

д-

ной магистрали, так энергия запуска будет минимальной. Это бла-

гоприятно сказывается на пусковом моменте электродвигателя.

ия подачи, напора, частоты вращения так, чтобы потери при

работе на этом режиме были минимальны. Такое сочетание назы-

вается расчетным режимом. Для правильной эксплуатации необхо-

димо знать рабочие характеристики насоса, т.е. зависимость напо-

ра, мощности, КПД от расхода при постоянной частоте вращения.

Лопастные насосы должны запускаться при закрытой выхо