ТЕМА 7. Гидравлические машины

Назначение и краткая классификация гидравлических машин. Устройство и принцип работы типовых гидромашин. Основные параметры насосов. Характеристики насосов. Работа насоса на сеть. Рабочая точка. Регулирование работы насосов.

[1, с. 93-120], [2, с. 89-153], [9, с. 125-144, 148-164]

К гидравлическим машинам относятся насосы и гидродвигатели. Насосом называется гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию привода в механическую энергию перекачиваемой жидкости. В гидравлическом двигателе происходит преобразование механической энергии потока жидкости в механическую работу на выходном валу.

Все типы насосов, несмотря на многообразие их конструктивных форм, по принципу действия (т.е. по способу передачи жидкости механической энергии) делятся на две группы: динамические (лопастные) и объемные (насосы вытеснения).

В объемных насосах передача механической энергии жидкости осуществляется изменением объемов их рабочих камер. Объемные насосы делятся на классы: 1) поршневые – с возвратно-поступательным движение вытеснителя (поршня или плунжера) и клапанным распределением жидкости; 2) роторные – с вращательным движением вытеснителей или замыкателей (например, поршней плунжеров, зубьев шестерен, лопаток или пластин) и с бесклапанным распределением жидкости.

В отличие от лопастных насосов в объемных насосах жидкости сообщается потенциальная энергия давления при практически неизмененной кинематической энергии жидкости. В этих насосах подача и напор независимы друг от друга, насосы характеризуются неравномерностью подачи и пульсацией давлений.

Работа лопастных насосов основана на силовом взаимодействии лопастей с обтекающим их потоком. При вращении рабочего колеса в потоке жидкости возникает разность давлений по обе стороны каждой лопатки. Силы давления лопастей на поток создают вынужденное вращательное и поступательное движение жидкости, увеличивая ее давление и скоростной напор, т.е. механическую энергию. Приращение энергии потока жидкости в лопастном колесе (напор насоса) зависит от сочетания скоростей протекания потока, частоты вращения колеса, его размеров, формы лопаток, т.е. от сочетания конструкции, размеров, частоты вращения и подачи насосов. Таким образом, главная особенность и отличие лопастных насосов от объемных состоят в том, что напор и подача у этих насосов взаимосвязаны, а подача непрерывна.

Созданная еще в середине XVIII в. Л. Эйлером приближенная струйная теория лопастных машин до настоящего времени является основой для их расчета. Сложность гидродинамических явлений, которые возникают при протекании жидкости в рабочих органах насоса, привела к теоретической модели идеального рабочего колеса с бесконечным числом бесконечно тонких лопастей. На основе струйной теории Л. Эйлером получено основное уравнение лопастных насосов, дающее зависимость теоретического напора от треугольников скоростей на выходе и входе рабочего колеса. С целью удовлетворительного согласования теории с данными опыта в формулу действительного напора вводятся поправки на конечное число лопаток и на гидравлические потери. Следует обратить внимание на вывод основного уравнения, которое может быть получено из уравнения Бернулли для относительного движения или из теоремы моментов количества движения.

Различают теоретические и действительные характеристики лопастных насосов. Из-за сложности протекания жидкости через рабочие органы насоса точную взаимосвязь основных параметров работы насоса удается получить только экспериментально. В результате испытаний насосов получают их действительные характеристики – кривые зависимости напора, подачи, затраченной мощности, КПД и частоты вращения насоса. Характеристики дают достаточно полное представление об эксплуатационных качествах насосов и позволяют решать вопросы, связанные с их выбором, эксплуатацией и проектированием.

Студенту необходимо уяснить методику получения рабочих и универсальных характеристик, их использование для определения оптимальных режимов работы действующих насосов, для выбора новых насосов, определения режимов совместной работы на общую сеть, а также для определения условий работы при изменении частоты вращения и размеров насоса.

Необходимо знать способы регулирования работы насосов.

При создании новых образцов лопастных машин проводятся их лабораторные исследования и доводка на моделях. Для перехода от данных, полученных на моделях, к натурным насосам используется общая теория гидродинамического подобия потоков в применении к лопастным машинам. Следует уяснить условия применимости теории подобия к лопастным насосам, а также усвоить формулы пересчета основных параметров насосов при изменении размеров и частоты вращения.

При проектировании насосов одни и те же значения подачи и напора могут быть получены в насосах с различной частотой вращения. При этом конструктивный тип рабочего колеса и всей проточной части насоса будет также различен. Для характеристики конструктивного типа насосов служит коэффициент быстроходности (удельная частота вращения); величина его определяет также область применения насосов. Студенту следует знать, по какой формуле вычисляется коэффициент быстроходности, на какие типы подразделяются лопастные насосы в зависимости от его величины. Величина коэффициента быстроходности зависит не только от частоты вращения, но от напора и подачи насоса. Поэтому не всегда насосы с большой частотой вращения имеют больший коэффициент быстроходности.

Отрицательное влияние на работу центробежных насосов оказывает кавитация, возникающая в результате снижения давления при входе жидкости на рабочее колесо центробежного насоса ниже давления парообразования. Студент должен знать физическую сущность явления кавитации и меры, необходимые для избежания этого вредного явления.

Вопросы для самопроверки

1. Расскажите о принципе действия динамических и объемных насосов. 2. Как определяется напор действующего насоса по показаниям приборов и по элементам насосной установки? 3. Как определяется полезная и затраченная мощность насоса? 4. Что представляет собой полный коэффициент полезного действия насоса? 5. Начертите схему и объясните принцип действия одноступенчатого центробежного насоса. 6. Приведите параллелограммы скоростей на входе и выходе из рабочего колеса и поясните их.7. Приведите входной и выходной треугольники скоростей и поясните их. 8. Напишите основное уравнение центробежных насосов Эйлера, поясните его вывод и физический смысл. 9. В чем заключаются соотношения подобия (пропорциональности) для лопастных машин? Для каких целей они применяются? 10. Что называется рабочей и универсальной характеристиками центробежных насосов? 11. На какие виды делятся лопастные насосы по быстроходности? 12. Как найти подачу и напор (рабочую точку)при работе одного и двух центробежных насосов на сеть? Приведите соответствующие графики и характеристики. 13. Что такое осевое давление, как оно возникает и каковы меры его устранения (уравновешивания)? 14. Какова физическая сущность явления кавитации в лопастных машинах? 15. Укажите методы регулирования подачи центробежных насосов и расскажите об их физической сущности.