ГЛАВА 1. Лопастные гидромашины.

ВВЕДЕНИЕ

Гидравлические машины - механизмы, сообщающие протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получающие от жидкости часть механической энергии для передачи ее рабочему органу с целью полезного использования (гидравлический двигатель).

Насосы и гидродвигатели применяют в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от первичного двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения рабочего органа. Гидропередача состоит из насоса, гидродвигателя, трубопроводов и регулирующей гидроаппаратуры.

В современной технике применяется большое количество разновидностей гидромашин. Однако их можно разделить на два основных класса: лопастные и объемные.

 

Центробежные насосы

 

В технике применяются центробежные насосы самых различных конструкций, классифируемых по следующим признакам:

 

1) По числу ступеней давления - одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Состоят из ряда последовательно насаженных на один вал рабочих колес. Жидкость с периферии первого колеса поступает на центр второго и так далее. При этом увеличивается напор (давление) на выходе насоса.

2) Насосы с односторонним и двухсторонним входом. При том же напоре насосы с двухсторонним входом обеспечивают большую подачу жидкость.

3) Насосы с вертикальным и горизонтальным валом. Наиболее распространенным типом центробежного насоса является одноступенчатый насос с односторонним входом и горизонтальным валом.

 

Работа насоса характеризуется его подачей Q, напором H_H, потребляемой мощностью N_H, коэффициентом полезного действия h_H и частотой вращения рабочего колеса.

Мощность насоса равна:

 

 

r - кг / м³; g - м / с²; Q - м³ / с; H_H - м; N_ТЕОР - Вт

 

Коэффициент полезного действия насоса учитывает: механические потери, объемные потери и гидравлические потери:

 

 

Механические потери обуславливаются трением в подшипниках и в уплотнениях вала рабочего колеса. Характеризуются h_М.

Объемные потери связаны с перетеканием жидкости из отвода рабочего колеса через зазоры обратно в подвод. Характеризуется h_О.

Гидравлические потери связаны с преодолением жидкостью гидравлического сопротивления аодвода, рабочего колеса и отвода. Характеризуется h_Г.

Характеристиками центробежного насоса являются зависимости H_Н(Q), h_H(Q), N_H(Q).

 

 

Гидродинамические передачи

 

Гидродинамические передачи (гидропередачи) состоят из соосно расположенных и предельно сближенных в общем корпусе рабочих органов лопастного насоса и гидравлической турбины. Они передают мощность от первичного двигателя приводимой машине посредством потока жидкости. Жесткое соединение входного и выходного валов при этом отсутствует.

Гидропередачи разделяют на гидродинамические муфты (гидромуфты), которые передают мощность не изменяя момента, и гидродинамические трансформаторы (гидротрансформаторы), способные изменять передаваемый момент.

 

Гидромуфты состоят из расположенных в общем корпусе 3 насосоного колеса 1 и турбинного колеса 2. Насосоное колесо соединено с валом двигателя, а турбинное колесо соединено с валом приводимой машины.

Лопасти насосоного и турбинного колес прикреплены к торообразным направляющим поверхностям, которые образуют рабочие полости, в которых циркулирует поток жидкости (чаще всего маловязкого минерального масла), обтекающий лопасти колес.

Насосное колесо получает энергию от двигателя и сообщает посредством своих лопастей жидкости. Поток жидкости обтекает лопасти турбинного колеса, приводит его во вращение и сообщает при этом энергию, используемую приводной машиной.

Гидропередачи способны ограничивать момент сопротивления M₂ и согласовывать его пульсации при неравномерной нагрузке ударного характера. Этим они защищают двигатель и механическую часть трансмиссии от перегрузок. Гидропередачи устраняют перегрузки при пусках двигателя и разгоне приводимых объектов с большой инерцией.

В гидротрансформаторах между насосным и турбинным колесами устанавливают колесо реактора. Это дает возможность бесступенчатого изменения передаваемого момента в зависимости от изменения частоты вращения выходного вала. При возрастании сопротивления потребителя и следовательно, при снижении частоты вращения выходного вала передаваемый момент увеличивается. При этом улучшается использование двигателя по мощности.

 

Шестереночные насосы.

 

Конструкция шестереночного насоса предельно проста. Главными рабочими деталями являются две одинаковые шестерни, находящиеся в зацеплении и помещенные в корпус между двумя плотно прижатыми к ним дисками.

 

1 - ведущая шестерня   2 - ведомая шестерня   3 - корпус

 

При вращении шестерен в зоне А выхода зубьев из зацепления образуется разрежение (вакуум) и туда устремляется жидкость из всасывающего трубопровода, заполняя пространство между зубьями. Далее жидкость переносится в зону B, где в пространство между зубьями одной шестерни входят зубья другой шестерни, вытесняя жидкость в нагнетательный трубопровод.

Подача жидкости:

,

где 2×m - высота зуба (m - модуль зацепления);

D_Н - диаметр начальной окружности шестерни;

b - ширина шестерни;

n - частота вращения.

Шестереночные объемные гидромашины обратимые.

 

Винтовые гидромашины.

 

Основными рабочими органами винтовой гидромашины являются винты, размещенные в корпусе, с весьма малым зазором.

Впадины между зубьями винтов заполняются жидкостью, которая при вращении винта переносится из всасывающей полости в нагнетательную.

 

По числу винтов различают: одно, двух и трехвинтовые гидромашины. Наибольшее распространение получили трехвинтовые гидромашины с циклоидальным зацеплением.

 

Подача винтового насоса:

,

где k - коэффициент, зависящий от геометрических характеристик нарезки;

D_Н - диаметр основной окружности ведущего винта;

n - частота вращения.

 

Рабочие жидкости ОГМ

 

В зависимости от назначения гидромаштны рабочей жидкостью могут быть самые различные жидкости: вода, нефтяные масла, синтетические жидкости, спиртово-глицериновые смеси и другие.

Принципиально, объемные гидромашины могут работать на всякой капельной жидкости. Однако рабочая жидкость, выполняя функцию промежуточной Среды, одновременно является и смазывающим веществом для деталей гидромашины. Поэтому к жидкости предъявляются противоречивые требования: с одной стороны, для уменьшения гидравлических потерь жидкость должна обладать малой вязкостью, а с другой стороны, для уменьшения утечек через зазоры и уплотнения жидкость должна образовывать прочную масляную пленку. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют маловязкие нефтяные маста высокой очистки.

Свойства рабочей жидкости оказывают существенное влияние на работоспособность и долговечность гидромашин. К рабочим жидксотям предъявляются следующие требования:

1. Рабочие жидкости в уплотнениях должны создавать прочную масляную пленку.

2. Для обеспечения высокой точности, долговечности и безотказной работы жидкость должна обладать антикоррозионными свойствами.

3. Рабочая жидкость должна обладать малой вязкостью и хорошими вязкостно-температурными свойствами в пределах определенного диапазона температур.

4. Жидкость должна быть чистой и однородной.

5. Рабочая жидкость должна иметь стабильный модуль упругости. Она не должна поглощать и выделять газы, особенно при больших перепадах давления.

 

 

Насосы

 

В объемном насосе перемещение жидкости осуществляется вытеснением ее из рабочих камер вытеснителями.

Основной величиной, определяющей размер объемной гидромашины, является его рабочий объем V₀. Подача объемного насоса

Поскольку объемные насосы предназначены для создания больших давлений, приращением кинетической энергии жидкости в насосе обычно пренебрегают. Давление насоса представляет собой разность давлений на входе и выходе.

 

 

Полезная мощность насоса:

 

 

Мощность, потребляемая насосом от первичного двигателя.

 

 

Характеристикой объемных насосов называют зависимость давления насоса p_Н от подачи Q при постоянной частоте вращения вала: p_Н = f(Q).

 

 

Отличительной особенностью объемных насосов является жесткость их характеристики, т.е. независимость подачи от величины давления. Жесткость характеристики может привести к опасному повышению давления, например при закрытии задвижки в напорном трубопроводе. Поэтому объемные насосы обязательно оборудуются предохранительными клапанами, ограничивающими максимально допустимое давление p_Н^max.

 

 

Клапан может быть встроен в корпус насоса, или установливается отдельно. Пока давление насоса pН < pН^max Предохранительный клапан закрыт (участок AB). При превышении давления насоса pН ³ pН^max предохранительный клапан открывается и часть жидкости сливается обратно в гидробак или во всасывающий трубопровод (участок BC).

 

Насосный агрегат с трубопроводами и оборудованием изображенный на схеме (рисунок 23) называют насосной станцией. Часто этот бло формируется и изготавливается как один агрегат.

 

 

Состав НС:   Н - насос; ЭД - электродвигатель; ПК - предохранительный клапан; Ф - фильтр; ОК - обратный клапан; Б - гидробак; МН - манометр; ВМ - вакуумметр; ГПАК - гидропневмоаккумулятор. ВН - запорно регулирующее устройство.

 

 

Регулирование объемного насоса (изменение характеристики насосной станции) может быть достигнуто следующими способами:

а) изменением частоты вращения насоса n;

б) изменением величины рабочего объема насоса V₀.

в) изменением характеристики (путем изменения сопротивления) трубопроводной сети.

 

Гидромоторы

 

Гидромотор - это объемный гидродвигатель вращательного действия.

Также, как и насос, гидромотор характеризуется величиной рабочего объема V₀.

Идеальный расход жидкости через гидромотор:

Действительный расход жидкости через гидромотор больше, потому что в отличие от насоса протечки жидкости через зазоры направлены в ту же сторону, что и основной поток.

или .

Частота вращения вала гидромотора

.

Падение давления в гидромоторе

,

где p₁ - давление на входе;

p₂ - давление на выходе.

 

Мощность, потребляемая гидромотором из потока:

К.П.Д. гидромотора:

,

где h_ГМ - гидромеханический кпд.

Момент на валу:

Полезная мощность гидромотора:

.

 

2.3 Гидроцилиндры.

 

Гидроцилиндр - это гидродвигатель, сообщающий выходному звену поступательное движение.

1- корпус; 2 - поршень; 3 - шток.

 

Гидроцилиндр двухстороннего действия имеет цилиндрический корпус 1, поршень 2,шток 3, уплотнения.

Поршень и шток перемещаются разностью сил давления в нагнетательной и сливной полостях.

Скорость U₀ перемещения поршня определяется величиной подачи жидкости Q в нагнетательную полость.

- при движении поршня вправо;

- при движении поршня влево.

Для перемещения поршня вправо необходимо левую полость гидроцилиндра соединить с насосом, а правую полость - с баком. Для движения поршня влево, наоборот, правую полость нужно соединить с насосом, а левую с баком.

Величина создаваемого гидроцилиндром усилия F равна

- при движении поршня вправо;

- при движении поршня влево.

 

 

Дроссельные устройства.

 

Дроссельные устройства применяются для ограничения и ррегулирования расхода жидкости и представляют собой гидравлические сопротивления. Различают нерегулируемые и регулируемые дроссели.

В дросселе происходит падение давления, определяемое из правил истечения через отверстие

;

где m - коэффициент расхода;

S - площадь проходного сечения.

 

 

Клапаны

 

При помощи клапанов предохраняют узлы гидропривода от перегрузок, устанавливают вполне определенную последовательность работы узлов гидропривода, создают определенное направление потока жидкости, устанавливают и поддерживают заданное давление.

В связи с большим разнообразием видов клапаны разделяют по назначению, принципу работы и конструкции.

По назначению клапаны разделяют на: обратные, предохранительные и редукционные.

Обратные клапаны предназначены для пропуска жидкости только в одном направлении.

При изменении направления движения жидкости в трубопроводе обратный клапан закрывается.

 

Предохранительные клапаны предназначены для защиты гидросистемы от чрезмерных давлений.

При превышении давления в магистральном трубопроводе p>p^max предохранительный клапан открывается и пропускает жидкость помимо гидросистемы на слив в бак. Величина p^max регулируется путем установки предварительной затяжки пружины.

Редукционный клан предназначен для уменьшения давления в гидромашине до значения, на которое он установлен.

 

 

Трубопроводы и соединения

 

Вспомогательные устройства

 

Вспомогательные устройства это кондиционеры рабочей жидкости: фильтры, охладители или нагреватели, гидропневмоаккумуляторы.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Гидравлические машины - механизмы, сообщающие протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получающие от жидкости часть механической энергии для передачи ее рабочему органу с целью полезного использования (гидравлический двигатель).

Насосы и гидродвигатели применяют в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от первичного двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения рабочего органа. Гидропередача состоит из насоса, гидродвигателя, трубопроводов и регулирующей гидроаппаратуры.

В современной технике применяется большое количество разновидностей гидромашин. Однако их можно разделить на два основных класса: лопастные и объемные.

 

ГЛАВА 1. Лопастные гидромашины.

 

1. Принцип действия и основные параметры лопастных гидромашин.

 

Рабочим органом лопастной гидромашины является рабочее колесо, снабженное лопастями. Энергия от рабочего колеса жидкости (или, наоборот, от жидкости колесу) передается путем динамического взаимодействия лопастей с обтекающей их жидкостью. при этом происходит перемещение жидкости от центра колеса к его периферии (центробежные насосы) или в осевом направлении (осевые насосы).

 

1 - подвод; 2 - рабочее колесо; 3 - отвод; 4 - диффузор

 

Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов: подвода, рабочего колеса и отвода. По подводу жидкость поступает в рабочее колесо в осевом направлении. Рабочее колесо состоит из двух дисков, между которыми находятся лопатки, изогнутые чаще всего в сторону, противоположную вращению. В рабочем колесе жидкость движется от оси колеса к его периферии и собирается в улиткообразном отводе. На выходе из отвода устанавливается диффузор для некоторого повышения давления.

Поток жидкости между лопатками характеризуется величиной и направлением абсолютной скорости жидких частиц , которая может быть определена путем сложения окружной скорости рабочего колеса и относительной скорости движения жидких частиц вдоль лопасти .

При большом числе лопастей относительное движение жидкости вдоль лопасти можно рассматривать как струйное и скорости направлены по касательной к лопасти.

Наоснове закона об изменении момента количества движения Эйлером выведено основное уравнение лопастных гидромашин:

 

- для насоса;

- для турбины.

В турбине происходит обратное движение жидкости от периферии рабочего колеса к его центру.

 

 

Мощность, сообщаемая рабочим колесом жидкости:

 

, где

 

Q - подача жидкости насосом, м³/с.

 

Центробежные насосы

 

В технике применяются центробежные насосы самых различных конструкций, классифируемых по следующим признакам:

 

1) По числу ступеней давления - одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Состоят из ряда последовательно насаженных на один вал рабочих колес. Жидкость с периферии первого колеса поступает на центр второго и так далее. При этом увеличивается напор (давление) на выходе насоса.

2) Насосы с односторонним и двухсторонним входом. При том же напоре насосы с двухсторонним входом обеспечивают большую подачу жидкость.

3) Насосы с вертикальным и горизонтальным валом. Наиболее распространенным типом центробежного насоса является одноступенчатый насос с односторонним входом и горизонтальным валом.

 

Работа насоса характеризуется его подачей Q, напором H_H, потребляемой мощностью N_H, коэффициентом полезного действия h_H и частотой вращения рабочего колеса.

Мощность насоса равна:

 

 

r - кг / м³; g - м / с²; Q - м³ / с; H_H - м; N_ТЕОР - Вт

 

Коэффициент полезного действия насоса учитывает: механические потери, объемные потери и гидравлические потери:

 

 

Механические потери обуславливаются трением в подшипниках и в уплотнениях вала рабочего колеса. Характеризуются h_М.

Объемные потери связаны с перетеканием жидкости из отвода рабочего колеса через зазоры обратно в подвод. Характеризуется h_О.

Гидравлические потери связаны с преодолением жидкостью гидравлического сопротивления аодвода, рабочего колеса и отвода. Характеризуется h_Г.

Характеристиками центробежного насоса являются зависимости H_Н(Q), h_H(Q), N_H(Q).