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;

подача насоса Q_н, м³/с – объем жидкости, подаваемый насо­сом в напорный трубопровод в единицу времени;

частота вращения вала насоса n, об/с, или с^-1;

угловая скорость ω, рад/с (угловая скорость и частота вращения вала насоса связаны между собой соотношением ω = 2 πn);

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 η_n – 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 а и плотности жидкости ρ. После алгебраических преобразований эта разность приводится к формуле:

где индексы 1 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 (11.1)] 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 (11.1)]. 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

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

где М_н – момент на валу насоса; ω – угловая скорость вала насоса. Полезная мощность N_n, т.е. мощность, сообщаемая насосом потоку жидкости, определяется по формуле

Тогда полный КПД насоса

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

где Н _т – теоретический напор насоса; Σh – суммарные потери напора на движение жидкости внутри насоса.

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

где Q _т – теоретическая подача насоса; q_{у т} – суммарная утечка жидкости из области нагнетания в область всасывания.

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

где ΔN _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 КПL насоса η_н равен произведению трех частных КПД:

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 _гд, м³/с – объем жидкости, потребляемый гидродвигателем из трубопровода в единицу времени;

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

скорость поступательного движения выходного штока v, м/с; момент на выходном валу гидродвигателя М _гд, 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, проходящею через него;

полезная мощность гидродвигателя N_n, 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 N _гд, потребляемый гидродвигателем. Он равен разности полных напоров на входе гидродвигателя и на выходе из него. По аналогии с напором насоса [см. формулу (11.1)] напор, потребляемый гидродвигателем, подсчитывается по формуле

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

Для подавляющего большинства гидродвигателей основной величиной, определяющей значение напора N _гд, потребляемого гидродвигателем, является разность пьезометрических высот [второе слагаемое в формуле (11.10)]. Очень часто разность давлений на входе и выходе гидродвигателя называют давлением, потребляемым гидродвигателем, или перепадом давления на гидродвигателе, Δр _гд. Тогда с учетом сказанного выше можно принять

Иногда при гидравлическом расчете трубопровода, содержащего гидродвигатель, перепад давления Δр _гд на гидродвигателем называется также потерей давления в гидродвигателе.

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

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

где М _гд – момент на валу гидродвигателя, а при возвратно-поступательном движении выходного звена – по формуле

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.

3. Объемный гидропривод, принцип действия и основные понятия

Гидроприводы в зависимости от типа используемых в них гидромашин делятся на объемные гидроприводы и гидродинамические передачи.

Объемный гидропривод – это гидропривод, в котором используются объемные гидромашины. Принцип действия объемного гидропривода основан на практической несжимаемости рабочей жидкости и на ее свойстве передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля.

Рассмотрим работу простейшего объемного гидропривода, принципиальная схема которого приведена на рис. 11.1. Он состоит из двух гидроцилиндров 1 и 2, расположенных вертикально. Нижние полости в них заполнены жидкостью и соединены трубопроводом.

Пусть поршень гидроцилиндра 1, имеющий площадь S₁, под действием внешней силы F₁ перемещается вниз с некоторой скоростью v₁. При этом в жидкости создается давление р = F₁ / S₁. Если пренебречь потерями давления на движение жидкости в трубопроводе, то это давление передается жидкостью по закону Паскаля в гидроцилиндр 2 и на его поршне, имеющем площадь S₂, создает силу, преодолевающую внешнюю нагрузку F₂ = pS₁

Считая жидкость несжимаемой, можно утверждать, что количество жидкости, вытесняемое поршнем гидроцилиндра 1 (расход Q = v₁S₁) поступает по трубопроводу в гидроцилиндр 2, поршень которого перемещается со скоростью v₂ = Q/ S₂ направленной вверх (против внешней нагрузки F₂).

Если пренебречь потерями энергии в элементах гидропривода, то можно утверждать следующее. Механическая мощность N₁=F₁v₁ затрачиваемая внешним источником на перемещение поршня гидроцилиндра 1, воспринимается жидкостью, передается ею по трубопроводу и в гидроцилиндре 2 совершает полезную работу в единицу времени против внешней силы F₂ со скоростью v₂ (реализуется мощность N₂=F₂v₂). Этот процесс можно представить в виде следующего уравнения мощностей:

Таким образом, гидроцилиндр 1 в рассмотренном случае работает в режиме насоса, т.е. преобразует механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости, а гидроцилиндр 2 совершает обратное действие – преобразует энергию потока жидкости в механическую работу, т.е. выполняет функцию гидродвигателя.

На основании анализа работы этого простейшего объемного гидропривода, а также принимая во внимание задачи, которые

необходимо решать по управлению гидроприводом и обеспечению его работоспособности, можно заключить, что реальный объемный гидропривод обязательно должен включать в себя следующие элементы или группы элементов (число перечисленных ниже элементов в составе гидропривода не ограничивается):

энергопреобразователи – устройства, обеспечивающие преобразование механической энергии в гидроприводе: гидромашины, гидроаккумуляторы и гидропреобразователи;

гидросеть – совокупность устройств, обеспечивающих гидравлическую связь элементов гидропривода: рабочая жидкость, гидролинии, соединительная арматура и т.п.;

кондиционеры рабочей среды – устройства для поддержания заданных качественных показателей состояния рабочей жидкости (чистота, температура и т.п.): фильтры, теплообменники и т.д.;

гидроаппараты – устройства для изменения или поддержания заданных значений параметров потоков (давления, расхода и др.):

гидродроссели, гидроклапаны и гидрораспределители.

По виду источника энергии жидкости объемные гидроприводы делятся на три типа.

1. Насосный гидропривод – в нем источником энергии жидкости является объемный насос, входящий в состав гидропривода. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак, из которого всасывается насосом) и с замкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает сразу во всасывающую гидролинию насоса).

2. Аккумуляторный гидропривод – в нем источником энергии жидкости является предварительно заряженный гидроаккумулятор. Такие гидроприводы используются в гидросистемах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов (например, гидропривод рулей ракеты).

3. Магистральный гидропривод – в этом гидроприводе рабочая жидкость поступает в гидросистему из централизованной гидравлической магистрали с заданным располагаемым напором (энергией).

Гидроприводы подразделяются также по виду движения выходною звена. Выходным звеном гидропривода считается выходное звено гидродвигателя, совершающее полезную работу. По этому признаку выделяют следующие объемные гидроприводы:

поступательного движения – в них выходное звено совершает возвратно-поступательное движение;

вращательного движения – в них выходное звено совершает вращательное движение;

поворотного движения – в них выходное звено совершает ограниченное (до 360°) возвратно-поворотное движение (применяются крайне редко).

Если в гидроприводе имеется возможность изменять только направление движения выходного звена, то такой гидропривод называется нерегулируемым. Если в гидроприводе имеется возможность изменять скорость выходного звена, как по направлению, так и по величине, то такой гидропривод называется регулируемым.