Общие сведения о гидросистемах

Тема 1.3 Гидравлические машины.

В современной технике в основном используются гидросисте­мы двух типов:

гидросистемы для подачи жидкости;

гидравлические приводы.

Для гидросистем, обеспечивающих подачу жидкости к потреби­телям, характерно отсутствие устройств, преобразующих энергию жидкости в механическую работу.

К таким гидросистемам относятся: системы водоснабжения и водяного теплоснабжения зданий, системы жидкостного охлажде­ния и смазывания различных машин, а также системы подачи смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) металлорежущих станков и др.

Такие гидросистемы относятся к классу разомкнутых гидроси­стем, в которых, как правило, движение жидкости обеспечивает­ся за счет работы насоса.

Метод аналитического расчета этих гидросистем базируется на уравнении, а при решении задачи графоаналитическим ме­тодом следует искать рабочую точку как точку пересечения харак­теристики насоса с суммарной характеристикой потребного напо­ра трубопровода.

Гидравлическим приводом называется совокупность устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобра­зования движения посредством рабочей жидкости. Гидравлические приводы, как правило, относятся к классу замкнутых гидросистем.

В некоторых литературных источниках используется также термин гидропередача. Под гидропередачей в большинстве случаем понимают силовую часть гидропривода, состоящую из насоса гидродвигателя и соединительных трубопроводов с рабочей жид­костью.

Гидромашины, их общая классификация и основные параметры.

Основными элементами гидросистем являются гидромашины. Гидромашина — это устройство, создающее или использующее поток жидкой среды.

Посредством этого устройства происходит преобразование под­водимой механической энергии в энергию потока жидкости или использование энергии потока рабочей жидкости для совершения полезной работы. К гидромашинам относятся насосы и гидродви­гатели.

Насосом называется гидромашина, преобразующая механиче­скую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости. Ос­новными параметрами, характеризующими работу насоса, привод которого осуществляется от источника механической энергии вра­щательного движения, являются:

напор насоса Н_н, м — приращение полной удельной механиче­ской энергии жидкости в насосе;

подана насоса Q_H, м³/с — объем жидкости, подаваемый насо­сом в напорный трубопровод в единицу времени; частота вращения вала насоса п, об/с, или с^-1; угловая скоростью, рад/с (угловая скорость и частота вращения вала насоса связаны между собой соотношением со = 2 пп);

потребляемая мощность насоса N, Вт — мощность, подводимая к валу насоса;

полезная мощность насоса N_n, Вт — мощность, сообщаемая на­сосом потоку жидкости;

коэффициент полезного действия (КПД) насоса ŋ_н — отноше­ние полезной мощности насоса к потребляемой.

Некоторые из отмеченных параметров необходимо рассмотреть подробнее.

Одним из важнейших параметров насоса является его напор. Он равен разности полных напоров жидкости на выходе насоса и на входе в него, т.е. зависит от нивелирных высот z, давлений р, ско­ростей течения жидкости v, а также коэффициентов Кориолиса α и плотности жидкости р. После алгебраических преобразований эта разность приводится к формуле

(5.1)

где индексы1 относятся к параметрам на входе в насос, а 2 — на выходе.

Для существующих конструкций насосов разность высот (Z2~Z1) расположения центров тяжести входного и выходного проходных сечений ничтожно мала и ею в расчетах пренебрегают.

Разность скоростных напоров [третье слагаемое в формуле (5.1)]можно принимать во внимание только в низконапорных насосах при условии, что у них площади входного и выходного отверстий отличаются по размерам.

Для подавляющего большинства насосов основной величиной, определяющей значение напора насоса, является разность пьезо­метрических высот [второе слагаемое в формуле (5.1)]. Очень час­то разность давлений на выходе и входе насоса называют давлени­ем, создаваемым насосом, или просто давлением насоса Р_Н=Р2~Р1- Таким образом, с учетом сказанного выше для большинства насо­сов можно считать

(5.2)

Необходимо также рассмотреть такой важный параметр насоса, как коэффициент полезного действия. КПД, или полный КПД, насоса определяется отношением полезной и потребляемой мощ­ностей. Потребляемая мощность насоса N, т.е. мощность на его валу, определяется по формуле

(5.3)

где М_н — момент на валу насоса; со — угловая скорость вала насоса.

Полезная мощность N_n, т. е. мощность, сообщаемая насосом по­току жидкости, определяется по формуле

(5.4)

Тогда полный КПД насоса

(5.5)

Необходимо отметить, что для характеристики работы гидромашин, кроме полного КПД, используют также частные КПД, которые учитывают различные виды потерь энергии. Различают три основных вида потерь энергии.

1. Гидравлические потери — это потери напора на движение жидкости в каналах внутри гидромашины. Они оцениваются гид­равлическим КПД η_r. Применительно к насосу гидравлический КПД

(5.6)

где Н_т — теоретический напор насоса; — суммарные потери напора на движение жидкости внутри насоса.

2. Объемные потери — это потери на утечки и циркуляцию жил кости через зазоры внутри гидромашины из области высокого давления в область низкого. Они оцениваются объемным КПДηο. При­менительно к насосу объемный КПД можно рассчитать следующим образом

(5.7)

где Q_T — теоретическая подача насоса; q_yx — суммарная утечка жидкости из области нагнетания в область всасывания.

3. Механические потери — это потери на механическое трение в подшипниках и уплотнениях гидромашины, оцениваемые механи­ческим КПДηο. Применительно к насосу механический КПД мож­но определить по формуле

(5.8)

где ∆N_тр — мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих в подшипниках и уплотнениях насоса; N_r — гидрав­лическая мощность — мощность, которую насос создал бы, если бы не было объемных и гидравлических потерь.

Следует иметь в виду, что полный КПД насоса ηн равен произ­ведению трех частных КПД:

(5.9)

Гидродвигатель — это гидромашина, преобразующая энергию потока жидкости в механическую работу. Иными словами, гидродвигатель использует энергию потока жидкости для выполнения некоторой полезной работы.

Выходным звеном гидродвигателя называется его элемент, непосредственно совершающий полезную работу. В большинстве слу­чаев это или вращающийся вал, или шток, движущийся возврат­но-поступательно.

Основными параметрами, характеризующими работу гидродвигателя, являются:

напор, потребляемый гидродвигателем Н_гд, м — полная удель­ная энергия, отбираемая гидродвигателем у потока рабочей жид­кости;

расход, потребляемый гидродвигателем Q_m, м³/с — объем жид­кости, потребляемый гидродвигателем из трубопровода в единицу времени;

частота вращения выходного вала гидродвигателя п, об/с, или с^-1;

скорость поступательного движения выходного штока v, м/с;; момент на выходном валу гидродвигателя М_т, Н • м (для гидродвигателей с вращательным движением выходного звена);

нагрузка (сила) на штоке гидродвигателя F, Н (для гидродвига­телей с возвратно-поступательным движением выходного звена);

потребляемая мощность гидродвигателя N, Вт — мощность, отби­раемая гидродвигателем у потока жидкости, проходящего через него;

полезная мощность гидродвигателя Nп Вт — мощность, разви­ваемая на выходном звене гидродвигателя;

коэффициент полезного действия (КПД) гидродвигателя η_гд — отношение полезной мощности гидродвигателя к потребляемой.

Некоторые из отмеченных параметров необходимо рассмотреть подробнее.

Одним из важнейших параметров является напор Н_гд, потреб­ляемый гидродвигателем. Он равен разности полных напоров на входе гидродвигателя и на выходе из него. По аналогии с напором насоса [см. формулу (3.1)] напор, потребляемый гидродвигате­лем, подсчитывается по формуле

(5.10)

где индекс 1 относится к параметрам потока на входе, а индекс 2 — на выходе гидродвигателя.

Для подавляющего большинства гидродвигателей основной ве­личиной, определяющей значение напора Н_гд, потребляемого гид­родвигателем, является разность пьезометрических высот [второе слагаемое в формуле (3.10)]. Очень часто разность давлений на входе и выходе гидродвигателя называют давлением, потребля­емым гидродвигателем, или перепадом давления на гидродвига­теле, ∆р_гд. Тогда с учетом сказанного выше можно принять

(5.11)

Иногда при гидравлическом расчете трубопровода, содержащего гидродвигатель, перепад давления ∆р_гд на гидродвигателе называ­ется также потерей давления в гидродвигателе.

Следует иметь в виду, что потребляемой мощностью для гидро­двигателя является мощность, подводимая к нему с потоком жид­кости:

(5.12)

Полезная мощность гидродвигателя (мощность на выходном звене) при вращательном движении выходного звена вычисляется по формуле

(5.13)

где М_гд — момент на валу гидродвигателя, а при возвратно-посту­пательном движении выходного звена — по формуле

(5.14)

где F— сила сопротивления движению выходного звена; v — ско­рость перемещения выходного звена.

Отметим также, что гидродвигатель может характеризоваться как полным η_гд, так и частными КПД, которые взаимосвязаны зависимостью (11.9).

Кроме перечисленных выше, одним из основных параметров, позволяющих судить о возможностях гидромашины, является ее внешняя характеристика. Например, под характеристикой насоса (в большинстве случаев) понимается графическая зависимость его основных технических показателей (напора, давления, мощности, КПД и т.д.) от подачи при постоянных значениях частоты враще­ния вала насоса, вязкости и плотности рабочей жидкости.

Все гидромашины по принципу действия делятся на два основ­ных типа: динамические и объемные.

Динамическая гидромашина — это гидромашина, в которой вза­имодействие ее рабочего органа с жидкостью происходит в про­точной полости, постоянно сообщенной с входом и выходом гид­ромашины.

Объемная гидромашина — это гидромашина, в которой взаимо­действие ее рабочего органа с жидкостью происходит в герметич­ной рабочей камере, попеременно сообщающейся с входом и вы­ходом гидромашины.

Динамическую гидромашину можно также назвать «проточной», так как у нее внутренняя проточная полость всегда соединена с > входом и выходом, а объемную — «герметичной», потому что у нее имеется герметичная рабочая камера, которая может быть со­единена в данный момент времени только или с входом, или с выходом гидромашины. Это значит, что в объемной гидромашине входная область всегда отсоединена от выходной. Для рабочего про­цесса динамической гидромашины характерны большие скорости движения ее рабочих органов и рабочей жидкости, а рабочий про­цесс объемной гидромашины заключается в силовом взаимодей­ствии рабочей жидкости и вытеснителя гидромашины. Большие скорости движения жидкости и рабочих органов объемной гидро­машины при этом в принципе не обязательны, так как основную роль в рабочем процессе играет давление.

Дата добавления: 2014-01-13