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

Подождите немного. Документ загружается.

• изменением угла установки лопастей меняют характеристику

насоса. Некоторые средние и крупные осевые насосы имеют

поворотные лопасти.

2. 7. В

Жидкость под действием силы, возникающей от внешнего избы-

точного давления (например, атмосферного) выдавливается по вса-

сывающему трубопроводу к рабочему колесу. Вращающееся рабочее

колесо раскручивает жидкость, которая под действием центробежных

сил перемещается в напорный трубопровод. В результате, поскольку

жидкость уходит из колеса, давление на входе в колесо понижается.

Жидкость по всасывающему трубопроводу к рабочему колесу на-

соса перемещается под действием силы (сила равна произведению

давления на внутреннюю площадь сечения трубопровода), возникаю-

щей из-за разности давлении в приемном резервуаре и давлении в

потоке у входа в колесо.

Рассмотрим уравнение Бернулли для уровня жидкости в прием-

ном резервуаре сеч.0-0 и на входе в насос сеч.1-1 (рис. 37)

ысота всасывания и кавитация центробежных насосов

Σh

вс

0атм

+++=++ .

Пусть плоскостью сравнения будет уровень жидкости в приемном

резервуаре, на рис. 37 это сеч. 4-4, тогда

; скорость течения

жидкости на поверхности приемного резерв равна нулю, т.е.

. Геометрическая высота всасывания и потери во всасывающем

трубопроводе называются вакуумметрической высотой

уара тоже

вв

HΣhZ

+ .

Нормальная работа центробежного насоса обеспечивается в ре-

жиме, когда больше давления насыщенных паров перекачиваемой

жидкости при данной температуре, т.е.

вс

атмвс

<−−= .

Если правая часть уравнения отрицательная, значит, меньше

давления насыщенных паров. В таком режиме начинаются явления

парообразования и кавитации, которые могут привести даже к пре-

ращению подачи жидкости насосом (говорят - «насос срывается»).

потока

ни-

том

ого количества мельчайших пузырь-

ков, наполненных парами жидкости и газами, выделившимися из неё.

вс

Кавитацией называют процессы нарушения сплошности

жидкости, происходящие там, где местное значение давления по

нного критического значения. При э

жается и достигает определе

наблюдается образование больш

Об

Возникши

ся в разм м. При этом наблюдается местное по-

вышение скорости движения жидкости потому, что выделившиеся пу-

зыр

разование пузырьков внешне похоже на кипение жидкости.

е в результате понижения давления пузырьки увеличивают-

ере и уносятся потоко

ьки пара или газа уменьшают поперечное сечение потока.

Рис. 37.

Уравнение Бернулли для уровня жидкости в приемном резервуаре

ског

о-

вреж

Далее пузырьки, попадая в область с давлением выше критиче-

о, начинают разрушаться. Разрушаются пузырьки с большой ско-

ростью. Разрушение сопровождается местными гидравлическими

ударами в данной микроскопической зоне на протяжении некоторого

времени. Это явление приводит к значительным поверхностным п

дениям лопастных колес и направляющих аппаратов. Обнару-

жить появление кавитации можно по характерному шуму (потрескива-

нию) в области всасывания, а также вибрации самого насоса. К тому

же кавитация сопровождается коррозией, т.е. химическим разрушени-

ем материала под действием кислорода и других газов, выделивших

ся в

Кавита-

ционному разрушению больше подвергается чугун, углеродистая

сталь. Наиболее устойчивы кавитации бронза и нержавеющая сталь.

Против воздействия кавитации на детали насоса наносят защит-

ные покрытия (напыления твердыми сплавами, местную поверхност-

ную закалку). Основной мерой защиты является предупреждение ка-

витационных режимов работы насоса. В технической документации на

насосы указывается допустимая высота всасывания или допустимый

кавитационный запас для нормальных условий работы, т.е. при атмо-

сферном давлении 0,1МПа и температуре жидкости .

2.8. Подбор гидродинамического насоса по каталогу

Рассмотрим работу гидродинамического насоса на сеть, опреде-

лим требуемые величины подачи и напора насоса; подберем насос

по каталогу, и рассчитаем характеристики насосной установки для

конкретного случая на примере схемы, показанной на рис.37. Жид-

кость перекачивается из открытого резервуара.

Всасывающий трубопровод опущен в приемный резервуар на вы-

соту (рис. 37). Насос расположен от уровня начала всасывающего

на высоте .

В напорном резервуаре давление на поверхности жидкости , а

расстояние от начала всасывающего трубопровода до поверхности

жидкости . Диаметры и длины всасывающего и напорного трубо-

проводов соответственно равны . Перекачиваем жидкость

с удельным весом . Манометр, установленный на выходе насоса,

показывает . Коэффициенты сопротивления трения трубопроводов

ми отивлениями на угловые повороты пренебрегаем. Неравно-

мер

области повышенного давления. Постоянный механический вы-

ров частичек металла и коррозия быстро снижают прочность металли-

ческих деталей насоса. Под действием кавитации поверхность дета-

лей становится шероховатой, что способствует быстрому истиранию

взвешенными в жидкости мелкими частицами (песок, шлак).

С20°

трубопровода

нвснвс

,,d,d ll

. Коэффициент сопротивления фильтра и крана ξ,ξ . Местны-

сопр

вс

λ,λ

крф

ностью распределения скоростей по сечению пренебрегаем, т.е.

0α = .

Подачу насоса

можно определить из уравнения расхода

πd

VSVQ

нннн

== , для чего надо знать скорость течения жидкости в

напорном трубопроводе.

Рассмотрим уравнение Бернулли для сеч. 1-1 и 2-2 (см. рис.37)

Z ∑+++=++ , где CZ

;

р1

м2

pp =

;

, поскольку расход в баке мал и обычно считают уровень

жидкости в баке постоянным;

н2

скорость течения жидкости по на-

порному трубопроводу одинакова исходя из уравнения неразрывности

потока

ββαα

SVSV =

( α и β разные сечения трубы).

Потери

Σh в напорном трубопроводе складываются из потерь по дли-

не трубы

2gd

нн

и на местные сопротивления

кр

λh

нн

+=∑

. В уравнении Бернулли для сеч.1-1 и 2-2 все

величины известны кроме скорости течения жидкости

V ,

мр

BC2g

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

+−

ξλ1

−−

Тогда подача насоса будет равна

нн

= .

Величина напора насоса равна разности гидродинамических на-

поров на входе потока во всасывающий патрубок насоса ( сеч. 3-3) и

на выходе потока из патрубка (сеч. 2-2), т.е.

32н

HHH −

πd

Из уравнения неразрывности потока опред

елим скорость потока

жид

кости во всасывающем трубопроводе

3322

SVSV

или

нвс

πd

вс

, откуда

вс

нвс

Составим уравнения Бернулли для сеч. 4-4 и 3-3.

VV =

вс

Z ∑+++=++

, где AZ

и BZ

= ;

0pp

атм4

== , рассматриваем избыточные давления; 0V

= и

вс3

;

потери во всасывающем трубопроводе будут

λh

вс

всвс

+=∑

Из последнего уравнения Бернулли определим давление в сече-

вс

нии 3-3

вс

⎥

⎦⎣

Величина напор асоса равна

()

⎤⎡

∑−−−=

вс

BAγp .

⎢

вс

а н

вс

насос

вс

нвсн

VVpp

ZZ ∑+

−

+−= ,

зде

3232н

2gγ

HHH −=

сеч. 2-2 показывает манометр

сь уровень жидкости в насосе одинаковый,

ZZ = ; давление в

нм

; потерями в пренебрега-

ем, т.е.

насосе

насос

∑ .

вс

нвсн

−

Полезная работа, которая производится насосом в единицу вре-

мени по анию сей жидкости весом

γQ , называется

перекачив в полез-

ной мощностью

пол

N ,

ннпол

HγQN

насосе им идравлич кие и механиче -

противления, уте дк ст , поэтому мощность, подводима у

В еются различные г ес ские со

чки жи о и я к вал

насоса от двигателя (эффективная мощность ),обычно несколько

больше полезной

пол

Зная подачу и напор насоса, по каталогу подбирают

насос. В ка-

талогах даны монограммы типа рис.38.

Рис. 38.

Монограммы характеристик насосов

Если необходимым и соответс несколько насосов, то

выбирают н ские

(больший К для в ранного

апример, такую, как

рис.39.

H твует

асос, имеющий лучшие технико-экономиче показатели

ПД, меньшую стоимость и массу). Затем ыб

насоса берут техническую характеристику, н на

абочая характеристика насоса

−

определяется при испыта-

деляют пор, действит

ниях центробежного насоса на специальном стенде. При этом опре-

на ельную подачу, потребляемую мощность, ко-

, выявляют зависимость напо-

а от а.

ти кривые называются рабочими характеристиками гидродина-

мического насоса.

чка с

выше

вращения вала насоса.

эффициент полезного действия насоса

р мощности и КПД от подачи насос

На характеристике отмечается расчетная то координатами

Q и

H . Если эта точка лежит характеристики насоса, то увели-

чивают частоту

Н, м

Рис.39.

Техническая характеристика насоса

Чтобы определить, на каком числе оборотов вала насоса на-

порная характеристика насоса пройдет через расчетную точку, рас-

считаем координаты точек параболы подобных режимов по формуле

H = .

ара одно координатное

рист р ся

П бола наносится на поле с напорной характе-

икой насоса, и фикси ует точка пересечения

С с координатами

Q и

H . Число оборотов, при котором характеристика насоса пройдет

через точку с координатами

Q и

H , согласно законам подобия,

в.1

n = и

в.2

ся

n . Паспортная характеристика пересчитывается на новое число

оборотов вала насоса

. Пересчет проводится по формулам подобия

. Ис х двух , принимает-ходя из эти значений

нx

⎟

⎞

⎜

⎛

нx

⎟

⎠

⎜

⎝

нx

⎟

⎠

⎜

⎝

Мощность дви

⎞⎛

дол

работы

из каталога).

гателя, который приводит во вращение насос,

жна обеспечивать экономную и безаварийную работу. В процессе

рабочая точка мощности меняется, поэтому двигатель подби-

рают по наибольшей мощности насоса (

н.max

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

N, Вт

0,8

0,7

0,6

0,5

, %

0 0,5 1,0 1,5 2,0

3,0

н.max

дв

, где 0,88..0,9η

дв

= ,

дв

- коэффициент запаса определяет-

ся в зависимости от мощности

1,3

при и

min

1,05

при

max

Построение характеристики насосной установки

Потребный напор установки это сумма статического напора

и п энергии,

()

QΦH

пот

ст

нвс

атмр

гпот

HH ∑+∑+

−

+=отери , где - рас-

стояние между напорным и приёмным резервуарами,

−

атм

- раз-

ность пьезометрических высот в резервуарах,

атмр

ст

−

+= -

статический напор. Если в уравнении потерь выразить ость через

расход

скор

πd

V =

, получим

⎟

⎞

вс

вснвс

dπ

ddπ

16Q

λh =

⎠

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+=∑+

В последнем выражении, кроме и , все значения постоян-

ны и

ресечени работы насоса.

3. Как называется разность

резервуар

6. Какие способы имеются для изменения режима работы насоса?

месте у ного насоса возникнуть витацион-

ный режим?

8. П

h∑

hст

QKH +=

Тогда

пот

H Q

известны. Задавая значения

, рассчитываем и строим характе-

ристику установки. Характеристики насоса и установки строятся в

одинаковом масштабе в одних координатных осях, рис. 40. Точка пе-

я кривых определяет режим

2.9.

Вопросы для самоконтроля по второй главе

1. При какой условии лопастные колеса считаются подобными?

2. Что является критерием оценки различных рабочих колёс гидроди-

намических насосов?

высот напорного и приёмного уровней в

ах?

4. О чего зависит статический напор?

5. Почему насос работает только в режиме равенства напора насоса и

потребного напора установки?

7. В каком лопаст может ка

ри каких условиях может возникнуть кавитация у лопастных насо-

сов?

9. По каким параметрам подбирают гидродинамический насос по ка-

талогу?

потреб

.40.

Совместн

Рис

ая характеристика насоса и установки

10. Если по необходимым параметрам подходят несколько опастных

насосов, то как выбрать лучший?

имодействия по-

тока

одинамической

3. ГИДРОДИНАМИЧЕСИЕ ПЕРЕДАЧИ

3.1. Общие сведения о гидродинамических передачах

Гидродинамические передачи служат для передачи вращательно-

го движения с ведущего вала на ведомый за счет вза

движущейся жидкости с лопастными колесами.

На рис. 41 показана принципиальная схема гидр

передачи. Жесткое соединение между валом приводного двигателя

с постоянным числом оборотов (

Constn

) и валом рабочего ор

гана 4

(

Varn

= ) отсутствует.

Между входным и выходным валами имеется только гидравличе-

ские силовые связи. При постоянной скорости вращения входного ва-

ла скорость вращения выходного вала меняется и зависит от нагрузки.

ст-

С увеличением нагрузки на выходном валу частота вращения

уменьшается, а при уменьшении нагрузки – увеличивается. На валах

жестко закреплены лопастные колеса. Пространство между лопа

ными колесами заполнено рабочей жидкостью. В качестве рабочей

жидкости используют различные сорта минеральных масел.

Гидродинамические передачи преобразуют механическую энер-

гию с одними параметрами ( моментом - и числом оборотов ) в

механическую энергию с другими параметрами (моментом

числом оборотов ), т.е. они являются гидравлическими трансмис-

сиями.

; 2 – насосное колесо; 3 – турбинное колесо;

состоят из расположенных соосно и

редельно сближенных в общем корпусе рабочих органов лопастного

асоса и гидравлической энергия с

параметрами араметрами

напор) разу-

ется

ческой энергии с

цель

в завис

елятся и гидротрансформаторы. Гидродинамические

муф

им

ли и

проф. С.П.

Стесин и канд. техн.наук, доц. Е.А. Яковенко, которые проводили ис-

Рис. 41.

Принципиальная схема гидродинамической передачи

– приводной двигатель1

4 - рабочий орган; 5 – гидродинамическая передача

Гидродинамические передачи

н турбины. В насосе механическая

n преобразуется в поток жидкости с п

( и

(расход). На турбине энергия этого потока преоб

в механическую энергию

M и

n . На выходе из турбины поток с

параметрами

H и

Q попадает снова на вход насоса. Роль реактора

заключается в преобразовании параметров гидравли

ю получения определенных характеристик гидродинамической

передачи.

Гидродинамические передачи имости от наличия реактора

д на гидромуфты

ты передают мощность, не изменяя момента. Гидродинамические

трансформаторы способны изменять момент.

Впервые гидродинамические передачи были применены в 1907 г.

на м

орских судах (по патенту Г. Феттингера). В Швеции в 1928 г. гид-

родинимические передачи поставили на автобусах. На серийных лег-

ковых автомобилях «Бьюик» с 1947 г. начали устанавливать гидро-

трансформаторы. В СССР работать над созданием гидродинамиче-

ских передач начали в конце 20-х годов ХХ века.

В 1929 г. А.П. Кудрявцев опубликовал описание конструкции гид-

ромуфты. В 1933 г. в лаборатории МВТУ . Баумана был спроекти-

рован первый гидротрансформатор. В МАДИ(ГТУ) специа стам по

гидродинамическим передачам являются д-р техн. наук,

следования гидрод намических передач и издали несколько моно-

графий [

1, 2].

идродинамические передачи нашли широкое применение в до-

рожных, строительных и транспортных машинах. При пульсирующем

изменении сопротивления потребителя гидродинамические передачи

сглаживают пульсации. Этим они защищают двигатель и механиче-

скую часть трансмиссии от перегрузок и ударных нагрузок. Гидроди-

намические передачи устраняют перегрузку двигателей во время пус-

ка, при разгоне приводимых объектов, обладающих большой инерци-

ей. Гидротрансформаторы бесступенчато изменяют передаваемый

момент в зависимости от частоты вращения выходного вала. При воз-

растании сопротивления потребителя снижается частота вращения

выходного вала и увеличивается передаваемый момент. На опти-

мальных режимах работы гидродинамических передач коэффициент

полезного действия достигает .

едостатки гидродинамических передач: КПД ниже и стоят доро-

же, обходи-

мос

п ч

ко

м валом

воздействием пластин колеса вращаются вместе с ним –

это

у двигаясь поток жидко-

сти

медленнее, но вра-

щат

85...98%

чем механические передачи; сложны в эксплуатации, не

ть систем питания и охлаждения.

3.2. Принцип действия гидродинамических муфт

Гидромуфты состоят из двух колёс: насосного и турбинного. На-

сосное колесо олу ает энергию от двигателя 1 (см. рис.41). Лопатки

насосного колеса 2 передают эту энергию потоку жидкости. Поток

жидкости, попадая на турбинное колесо 3, заставляет его вращаться,

отдавая свою энергию турбинному лесу. Турбинное колесо соеди-

нено выходны с нагрузкой 4.

На рис. 42 показана гидромуфта. При вращении входным валом 1

насосного колеса 2 частицы жидкости, находящиеся внутри насосного

колеса, под

переносное движение.

Одновременно жидкость движется под действием центробежных

сил от оси вращения к периферии. Колесо муфты на периферии име-

ет закругленную торообразную форму, поэтом

поворачивается практически на

°90 , и продолжая движение, «сле-

тает» с насосного колеса. «Слетая», жидкость по инерции продолжает

двигаться и попадает на турбинное колесо 3, которое размещено ря-

дом с насосным колесом, но не связано с ним механически. Попадая

на турбинное колесо, жидкость по инерции продолжает вращаться и

заставляет турбинное колесо тоже вращаться,

ься. При этом кинетическая гидравлическая энергия, которой об-

ладала жидкость, переходит в кинетическую механическую энергию

турбинного колеса.