Гидравлические машины.
Гидравлические машины в принципе своей работы основываются на применении закона Паскаля, который говорит, что давление, производимое на жидкость, передается внутри неё во все стороны с одинаковой силой.
Что же такое гидравлический агрегат? Гидравлический — значит работающий за счет давления или движения жидкости, например воды.
В этой статье мы собрали для Вас принцип действия и основные схемы наиболее часто применяемых гидростатических машин.
Содержание статьи
Гидравлический пресс применяется для получения больших сжимающих усилий, которые необходимы, например, для деформации металлов при обработке давлением (прессование, ковка, штамповка), при испытании различных материалов, уплотнении рыхлых материалов и т.д.
Схема и принцип действия
Самая простая схема гидравлической машины, такой как гидравлический пресс состоит из двух цилиндров А и В (малого и большого диаметра), соединенных между собой трубкой С. Такая схема похожа на работу сообщающихся сосудов.
В малом цилиндре расположен малый поршень гидравлической машины D, соединенный с рычагом ОКМ, имеющим неподвижную шарнирную опору в точке О, а в большом цилиндре – большой поршень гидравлической машины (плунжер) Е, составляющий одно целое с платформой F, на котором расположено прессуемое тело G.
Рычаг приводится в действие вручную или при помощи специального двигателя. При этом поршень D начинает двигаться вниз и оказывать на находящуюся под ним жидкость давление, которое передается на поршень Е и заставляет его вместе со столом двигаться до тех пор, пока тело G не войдет в соприкосновение с неподвижной плитой Н.
При дальнейшем подъеме стола начинается процесс прессования (сжатия) тела G.
Если данное устройство служит не для прессования, а только для поднятия груза, т.е. представляет собой так называемый гидравлический подъемник, то неподвижная плита Н в этом случае оказывается лишней и из конструкции исключается.
Вместе с указанными на схеме частями гидравлический пресс снабжается всасывающим и нагнетательным клапанами, регулирующими работу пресса, и клапаном, предохраняющим его от разрыва при чрезмерном возрастании давления (на схеме клапаны не показаны).
Работу гидравлического пресса объясняет закон Паскаля. В котором говорится о гидростатическом парадоксе, когда кружка воды, добавленная в бочку, приводит к ее разрыву.
Сила давления, КПД и формула машины
Установим основные соотношения, определяющие работу пресса. Пусть усилие, действующее на конец М рычага ОКМ, будет называться Q, а плечи рычага ОК = a, КМ = b. Тогда, рассматривая равновесие рычага и составляя уравнение моментов относительно его центра вращения О выводим уравнение
Находим силу передаваемую на поршень D малого цилиндра
и создаваемое в жидкости добавочное гидростатическое давление
где d1 – диаметр малого цилиндра.
Давление ρ передается на поршень Е большого цилиндра, в результате чего полная сила давления на этот поршень, обусловленная силой Q, будет
где d2 – диаметр большого цилиндра.
Из этого выражения видно, что сила P2 может быть получена сколько угодно большой путем выбора соответствующих размеров цилиндров и плеч движущего рычага.
На самом деле действительная сила P2, передаваемая на стол и осуществляющая процесс прессования, оказывается несколько меньше из-за неизбежных потерь энергии на преодоление трения в движущихся частях пресса и утечек жидкости через различные неплотности и зазоры.
Эти потери учитываются введением в формулу коэффициента полезного действия – КПД. Таким образом формула гидравлической машины
Практически этот коэффициент имеет значение от 0,75 до 0,85.
Пример расчета
Для наглядного примера того как работают малый и большой поршень гидравлического машины рассмотрим простой пример.
Условие: Большой поршень гидравлической машины имеет площадь 50см 2 . Он поднимает груз весом 2000Н. Необходимо определить площадь малого поршня если на известно, что на динамометре определилась сила 300Н. Рычаг в этой задачи не участвует.
S1=(F1*S2)/F2=(300*50*10 (-2) )/2000=0.075 м 2 =7,5cм 2
В современных гидравлических прессах можно получить очень большие давления (до 25 000 т.). В таких конструкциях малый цилиндр выполняют обычно в виде поршневого насоса высокого давления, подающего рабочую жидкость (воду или масло) в большой цилиндр (собственно пресс), часто с добавлением в схему специального устройства – гидравлического аккумулятора, выравнивающего работу насоса.
Гидравлический аккумулятор
Как показывает название – гидравлический аккумулятор служит для аккумулирования, т.е. накапливания, собирания энергии. Он применяется на практике в тех случаях, когда необходимо выполнить кратковременную работу, требующую значительных механических усилий, например, поднять большую тяжесть, открыть и закрыть ворота шлюзов и т.п.
Наиболее широкое применение гидравлические аккумуляторы получили при работе гидравлических прессов, используемые здесь как установки, накапливающие жидкость в период холостого хода пресса и отдающие ее при рабочем ходе, когда подача насосов оказывается недостаточной.
Гидравлический аккумулятор состоит из цилиндра А, в котором помещен плунжер В, присоединенный своей верхней частью к платформе С, несущей груз большого веса. В аккумулятор по трубе D насосом нагнетается жидкость (вода или масло), которая поднимает вверх плунжер с грузом. При достижении крайнего верхнего положения насос автоматически выключается.
Обозначим вес плунжера с грузом через G, а его полную высоту подъема через Н. Тогда энергия, запасенная аккумулятором при полном подъеме плунжера, будет равна G*H, а создаваемое им в жидкости гидростатическое давление
где F – площадь сечения плунжера
Под таким постоянным давлением находящаяся в аккумуляторе жидкость подводится по трубе Е к гидравлическим машинам – например, прессовым машинам, обеспечивая тем самым их работу с постоянной нагрузкой.
Гидростатическое давление, создаваемой аккумулятором, будет тем больше, чем меньше площадь сечения плунжера.
Однако при чрезмерном уменьшении сечения плунжера последний может оказаться недостаточно прочным. Поэтому при необходимости получения очень больших давлений применяются так называемые дифференциальные аккумуляторы со ступенчатым поршнем.
В этом случае давление на жидкость, находящуюся в цилиндре А, передается через небольшую площадь кольцевого уступа ступенчатого поршня, пропущенного сквозь обе крышки цилиндра (верхнюю и нижнюю), и следовательно, сечение поршня может быть выбрано такого размера, при котором обеспечивается необходимая прочность.
Гидравлическая турбина
Гидравлические двигатели служат для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию, получаемую на валу двигателя и используемую в дальнейшем для различных целей, в основном для привода рабочих машин.
Наиболее распространенным представителем этой группы является гидравлическая турбина. Гидравлические турбины обычно для устанавливаются на гидроэлектрических станциях, где они служат приводом электрических генераторов.
Энергия воды преобразуется в турбине в механическую энергию на валу. Вал приводит в движение ротор электрогенератора и механическая энергия превращается в электрическую.
Насос
В насосах, применяемых для подъема и перемещения жидкости по трубопроводам, происходит обратный процесс. Механическая энергия, подводимая к насосам от двигателей, приводящих насосы в действие, преобразуется в гидравлическую энергию жидкости.
На рисунке схематично изображены
А – турбинная установка
Б – насосная установка
Насосы это самые распространенная разновидность гидравлических машин. Они применяются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Насосы используются в водоснабжении, отоплении, вентиляции, для работы котельной установки и во многих других областях техники.
Подробная схема работы насоса размещена в этой статье
Гидравлические машины весьма широко используются в настоящее время в нефтяной промышленности. Насосы применяются при транспортировке нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, при бурении нефтяных скважин для подачи в них промывочных растворов и т.д.
Гидромашины
4.1Общие сведения и классификация
Из существующих различных видов вспомогательных силовых систем мобильных машин и технологического оборудования наибольшее распространение получили электрические и объемные гидросистемы. В современной технике в основном используются гидросистемы двух типов: для подачи жидкости (системы водоснабжения и водяного теплоснабжения станций, системы жидкостного охлаждения и смазывания различных машин и др.); гидравлические приводы. Основными элементами гидросистем являются гидромашины.
Гидромашина – это устройство, создающее или использующее поток жидкой среды. По назначению гидравлические машины делятся на насосы и гидродвигатели.
Насосом называют гидравлическую машину, преобразующую приложенную к входному звену (валу) внешнюю механическую энергию в гидравлическую энергию потока жидкости.
Гидродвигатель – машина, предназначенная для преобразования энергии потока рабочей среды в энергию движения выходного звена.
Общий анализ условий работы гидромашин показывает, что в них должен осуществляться обмен энергией между жидкостью и каким либо движущимся рабочим органом, к которому подводится энергия. Видов, типов и конструкций гидромашин существует огромное количество, но все они могут быть разделены по принципу действия на два вида: объёмные и динамические.
Объёмные гидромашины (к которым относятся поршневые, шестерённые, радиально- и аксиально-поршневые и т.д.) работают за счёт изменения объёма рабочих камер, периодически соединяющихся с входным и выходным патрубками.
Рабочая камера гидромашины – это ограниченное изолированное пространство, образованное деталями насоса с переменным при работе насоса объемом и попеременно сообщающееся с всасывающими и нагнетательным каналами.
Детали, образующие полости изменяемого объема и отделяющие входную полость от выходной, являются основными деталями объемной гидромашины. Форма вытеснителей и способ замыкания вытесняемого объема конструктивный тип гидромашины.
Рабочим органом, совершающим работу является вытеснитель – поршень (плунжер), пластины, зубчатое колесо, диафрагма и т. д.
Простейшая схема объёмной поршневой гидромашины представлена на рисунок 4.1. Если эта гидромашина работает в качестве насоса, то принцип работы следующий: при приложении внешнего усилия к штоку и поршню 1 и движении его вправо объем рабочей камеры 2 увеличивается что ведет к уменьшению давления в ней ниже атмосферного значения, следовательно, происходит всасывание жидкости через клапан 3 и заполнение рабочей камеры 2. Клапан 4 в это время закрывается. При движении поршня влево объем рабочей камеры уменьшается, давление в ней возрастет, клапан 3 закрывается, а 4 открывается и происходит нагнетание (вытеснение) жидкости под давлением выше атмосферного.
Рисунок 4.1 – Простейшая схема объемной гидромашины
Если эта гидромашина работает в качестве гидродвигателя, то принцип работы следующий: жидкость под давлением подается через клапан 3 в рабочую камеру 2. Клапан 4 закрыт. Под действием давления жидкости поршень 1 движется вправо, преодолевая приложенную нагрузку. Затем прекращается подача жидкости, клапан 3 закрывается, клапан 4 открывается и поршень движется влево под действием внешней нагрузки, вытесняя жидкость из рабочей камеры 2.
На том принципе основано действие всех конструктивных разновидностей объемных гидромашин.
В динамических гидромашинах жидкость движется под силовым воздействием в камере, имеющей постоянное сообщение с входным и выходным патрубками.
В зависимости от характера сил действующих на рабочую жидкость, динамические насосы подразделяют на лопастные, электромагнитные и насосы трения.
В лопастных насосах жидкая среда перемещается путем обтекания лопастей. К таким насосам относятся центробежные и осевые насосы.
В электромагнитных насосах жидкость перемещается под воздействием электромагнитных сил.
В насосах трения жидкость перемещается под воздействием сил трения. К ним относятся, например, вихревые, вибрационные и струйные насосы.
Рабочим органом лопастной машины является вращающийся ротор, состоящий из рабочего колеса и вала. Рабочим колесом называется система лопастей, закрепленная на валу машины (рисунок 4.2).
Рисунок 4.2 – Схема центробежного насоса
Центробежный насос (рисунок 4.2) состоит из рабочего колеса 1 с криволинейными лопастями, насаженного на вал 2, и камеры 3, в которой располагается рабочее колесо. По входному патрубку 4 жидкость подается к центральной части рабочего колеса и выбрасывается из него в спиральную отвод 3, переходящий в короткий диффузор – напорный патрубок 5. Назначением рабочего колеса является передача жидкости энергии от двигателя. Рабочее колесо центробежного насоса состоит из ведущего а и ведомого (обода) б дисков, между которыми находятся лопатки в, изогнутые, как правило, в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Ведущим диском рабочее колесо крепится на валу. В центробежном насосе на жидкость, заполняющую каналы между лопастями колеса и вращающуюся вместе с ним, действует центробежная сила и отбрасывает её от центра колеса на периферию, создавая повышенное давление на периферии и разрежение в центре. Поэтому постоянно происходит всасывание жидкости в подводящее отверстие.
Динамическое воздействие лопастей на поток приводит к тому, что давление в напорном патрубке будет больше, чем давление во всасывающем патрубке, т.е. создается напор (давление), зависящий от частоты вращения колеса. Привод насоса осуществляется непосредственно от вала электродвигателя.
Применение лопастных машин в качестве элементов гидросистем мобильной техники, в частности автотракторной, ограничено. Несколько шире лопастные насосы используются как дополнительное оборудование для специальных автомобилей и тракторных агрегатов: на пожарных и поливочных автомобилях, в дождевальных установках, агрегатируемых с тракторами и т.п.
Совсем не применяются в мобильной технике как самостоятельный элемент гидротурбины (гидравлические двигатели динамического действия).
4.2Основные параметры гидромашин
К основным параметрам гидромашин относятся:
ü подача (для насосов) и расход (для гидродвигателей),
ü рабочий объем (для объемных гидромашин),
ü вакуумметрическая высота всасывания,
ü давление нагнетания (для объемных гидромашин) или напор (для динамических гидромашин),
ü крутящий момент,
ü частота вращения,
ü коэффициент полезного действия.
Подачей насоса называют количество жидкости, проходящий через выходной патрубок в единицу времени. Объёмная Q подача насоса – отношение объёма жидкости, проходящей через напорный патрубок к промежутку времени, за которое происходит перемещение этого объёма жидкости. Единицы измерения: м 3 /с, л/мин, л/с.
Рабочий объем насоса V0 (для объемных насосов) – это разность наибольшего и наименьшего значений замкнутого объема рабочей камеры за оборот или двойной ход рабочего органа насоса.
Минутную теоретическую подачу объемного насоса Qт.н и гидромотора Qт.м рассчитывают по формуле
, м 3 /с
где n – частота вращения гидромашины (насоса или мотора), об/с;
Рисунок 4.3 – Схема насосной установки
Давлениенасоса р (давление нагнетания) – это величина, определяемая зависимостью
, Па,
где р2 и р1 – давление на выходе и на входе в насос (рисунок 4.3), Па;
ρ – плотность жидкой среды, кг/м 3 ;
g – ускорение свободного падения, м/с 2 .
z2 и z1 – высота центра тяжести сечения выхода и входа в насос, м;
и 
– скорость жидкости на выходе и на входе в насос, м/с. Определяются из формулы расхода жидкости через сечения трубопроводов всасывающего и напорного:
; 
, м/с
где d2 и d1 – диаметры напорного и всасывающего трубопроводов, м.
Давление на входе и на выходе из насоса (рисунок 4.3), в случае установки вакуумметра и манометра соответственно, определяется по этим приборам как вакуум на входе в насос рвак (обычно имеет знак «–») и избыточное (манометрическое) давление на выходе рман (обычно имеет знак «+»).
Напор H – это разность энергий единицы веса жидкости в сечении потока после насоса и перед ним (рисунок 4.3). В случае установившегося движения жидкости из уравнения Бернулли напор равен
, м
где е1 и е2 – удельная энергия потока жидкости на входе в рабочее колесо и на выходе из него;
z – энергия положения (потенциальная энергия);
α – коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей жидкости по сечению;
υ – средняя скорость потока в данном сечении.
Для гидромоторов выходными параметрами являются крутящий момент Mгм и частота вращения вала n.
Крутящий теоретический момент Мт определяется по формуле
.
где 
– перепад давлений на гидромоторе.
Рассматриваемые насосы являются самовсасывающими, т. е. в них обеспечивается самозаполнение подводящего трубопровода жидкой средой.
Необходимое абсолютное давление во всасывающем патрубке насоса зависит от высоты всасывания и потерь напора во всасывающей магистрали.
Назовем уровни свободной поверхности в напорном и приемном резервуарах напорным и приемным уровнями; разность этих уровней – геометрическим напором h насосной установки.
Из расчетной схемы установки такого насоса (рисунок 4.3) следует, что в случае, если приемный резервуар соединен с атмосферой, то жидкость перемещается во всасывающем трубопроводе, преодолевая его сопротивление. При этом она поднимается от уровня жидкости в резервуаре до входа в насос под действием разности атмосферного давления р0, действующего на поверхности жидкости в резервуаре, и давления рвх на входе в насос (р0 – рвх) в режиме всасывания. Под действием этой разности давлений преодолеваются силы инерции жидкости во всасывающем трубопроводе и в насосе, гидравлическое сопротивление всасывающей линии. Следовательно, напор во всасывающем патрубке насоса будет определяться по формуле (из уравнения Бернулли)
,
где рвх и υвх – давление и скорость жидкости во всасывающем патрубке насоса;
hвс – геометрическая высота всасывания;
Δhп – потери во всасывающем трубопроводе.
Давление на входе в насос и на входе в рабочее колесо уменьшается с уменьшением давления в приемном резервуаре и увеличением геометрической высоты всасывания и потерь в подводящем трубопроводе. Давление на входе в насос может уменьшиться до давления насыщенных паров и возникнет кавитация.
Для нормальной безкавитационной работы насоса для каждой конструктивной разновидности и типоразмера устанавливают допустимую высоту всасывания, которую указывают в характеристиках насоса.
Допустимая высота всасывания насоса находится по формуле
,
Высота всасывания зависит от типа жидкости и температуры, и будет уменьшаться с повышением температуры, т.к. от нее зависит упругость паров жидкости.
Потребляемая мощность насоса N – это энергия, подводимая к нему от двигателя за единицу времени
, Вт
где М – крутящий момент на валу, Н·м;
ω – угловая скорость рабочего колеса.
Полезная мощность насоса Nп – это энергия, приобретённая за единицу времени жидкостью, прошедшей через насос
, Вт
где ρ – плотность жидкости.
Мощность насоса больше полезной мощности Nп на величину потерь в насосе. Эти потери оцениваются КПД насоса η, который равен отношению полезной мощности к потребляемой
.
В процессе работы гидравлической машины происходят потери энергии или мощности, которые делят на механические, объёмные и гидравлические (рисунок 4.4).
Рисунок 4.4 – Баланс энергии в гидромашине.
Механические потери – это потери на трение в подшипниках, в уплотнениях вала и на трение наружной поверхности рабочих колёс о жидкость (дисковое трение). Мощность, остающаяся за вычетом механических потерь, передаётся рабочим колесом жидкости. Её принято называть гидравлической. Величина механических потерь оценивается механическим КПД (рисунок 4.4)
Механические потери влияют на силовую характеристику жидкости, т.е. на давление или момент на валу гидромашины
С учетом механического КПД приводной момент на валу насоса будет равен 
.
С учетом механического КПД эффективный момент на валу гидродвигателя будет равен
где 
и 
– механический КПД насоса и гидромотора.
Объёмные потери. Величина фактической подачи Qэф будет меньше расчетной Qт на величину объемных потерь ΔQ = Qт – Qэф, которые возникают:
― в результате утечек жидкости под действием перепада давления из рабочей полости в нерабочую (в объемных гидромашинах) или утечек жидкости в рабочем колесе из-за большого давления на выходе из рабочего колеса чем на входе (в динамических гидромашинах);
― потерь, обусловленных неполным заполнением рабочих камер жидкостью при проходе через зону всасывания из-за гидравлического сопротивления входных каналов, кавитационных процессов и выделения воздуха, действия, на жидкость центробежных сил. Эти потери принято называть потерями на всасывании насоса, которые могут составить в некоторых случаях 75% всех объемных потерь в насосе. Основными причинами неполного заполнения жидкостью рабочих камер насоса при прохождении ими всасывающей зоны являются малое давление на входе в насос, большое сопротивление всасывающих каналов, подводящих жидкость к распределительным окнам блока, сопротивление в распределительных окнах и в самих цилиндрах.
Теоретическая подача насоса Qт – представляет собой сумму подачи и объемных потерь насоса. Следовательно, фактический расход (для гидродвигателя) или подача (для насоса) определяются по формулам
, 
, м 3 /с (л/мин):
где 
– объемный КПД насоса.
Гидравлические потери – это потери на преодоление гидравлического сопротивления внутренних каналов гидромашины, всасывающего и напорного патрубков 
, оцениваются гидравлическим КПД насоса
.
Гидравлический КПД насоса показывает, насколько манометрический напор, развиваемый насосом, отличается от теоретического напора. Ввиду некоторой сложности измерения потерь напора, обусловленных гидравлическим сопротивлением, гидравлический КПД обычно не рассчитывается, а гидравлические потери учитываются механическим КПД.
Следовательно, полный (общий) КПД гидромашины можно также определить по формуле
.
4.3Лопастные гидромашины
4.3.1 Кинематика движения жидкости
Преобразование энергии осуществляется за счет прохождения потока жидкости через вращающуюся решетку лопастей рабочего колеса. Поэтому различают кинематику потока жидкости в рабочей полости насоса, где он движется под воздействием лопастей вращающегося рабочего колёса, и свободное движение потока вне рабочего колеса (например, в отводе).
Рисунок 4.5 – Схема для рассмотрения движения жидкости в рабочем колесе
Для математических расчетов считают, что движение всех частиц жидкости в рабочей полости насоса одинаково и на каждую из них действует центробежная сила, окружная сила и сила Кориолиса. Следовательно, кинематику потока жидкости можно рассмотреть на примере одной частицы.
Под действием этих сил (центробежная и Кориолиса) частица жидкости движется относительно лопасти по траектории 
(рисунок 4.5) с относительной скоростью w. Под действием окружной силы она совершает переносное движение с окружной скоростью u. Следовательно, частица жидкости будет двигаться по траекторией 
с абсолютной скоростью 
.
Скорость абсолютного движения равна геометрической сумме скорости w жидкости относительно рабочего колеса и окружной скорости u рабочего колеса
.
Относительная скорость w направлена по касательной к лопасти; окружная скорость u – по касательной к окружности, на которой расположена рассматриваемая точка, в сторону вращения рабочего колеса.
В труегольнике скоростей определяют углы:
ü 
– угол между абсолютной v и окружной u скоростями жидкости;
ü 
– угол между относительной w и отрицательным направлением окружной u скорости жидкости; рабочий угол лопаток, вершина которого определяет очертание лопастей.
В зависимости от величины рабочих углов 
лопасти могут быть трёх типов (рисунок 4.6):
¾ отогнутые назад 
;
¾ радиальные 
;
¾ загнутые вперёд 
.
Рисунок 4.6 – Зависимость величины и направления скоростей от угла наклона лопасти на выходе из рабочего колеса
В зависимости от наклона лопастей изменяется абсолютная скорость потока жидкости на выходе при постоянных значениях окружной и меридиональной скоростей.
Угол на входе в рабочее колесо определяет условие входа жидкости в колесо. Обычно 
(т.е. при радиальном входе жидкости на рабочее колесо). Иначе происходит закручивание потока при входе, на которое расходуется часть сообщаемой колесу энергии.
4.3.2 Основное уравнение лопастных машин
Связь между геометрическими параметрами системы лопастей рабочего колеса (радиус на входе и выходе жидкости, ширина рабочего колеса и т.п.), скоростью вращения и моментом, возникающим на валу, устанавливает основное уравнение лопастных машин, которое имеет вид
— в форме моментов;
— в форме напоров.
где 
– окружная скорость
– окружная составляющая абсолютной скорости (рисунок 4.5);
Qт – расход жидкости через колесо.
Полученное уравнение впервые было получено Эйлером. Оно связывает напор насоса со скоростями движения жидкости, которые зависят от подачи и частоты вращения насоса, а также от геометрии рабочего колеса и подвода. Поток на входе в рабочее колесо создается подводящим устройством, следовательно, момент скорости 
на входе в колесо определяется конструкцией подвода и практически не зависит от конструкции колеса. Поток на выходе из колеса создается самим колесом, поэтому момент скорости 
определяется конструкцией колеса в основном геометрией его выходных элементов (наружным диаметром, шириной лопастей, углом установки их на выходе). Основное уравнение дает возможность по заданному напору, частоте вращения и подаче насоса определить геометрические параметры на выходе из рабочего колеса.
Подводящие устройства многих конструкций насосов не закручивают поток и момент скорости 
=0. Напор реального центробежного насоса определяется по формуле
, (1)
где 
– коэффициент, учитывающий влияние неравномерности относительной скорости между лопастями 
;
– гидравлический КПД, учитывающий потери на преодоление гидравлического сопротивления подвода, рабочего колеса и отвода.
Выражение (1) дает связь напора и подачи жидкости через колесо или главную характеристику центробежного насоса.
4.3.3 Характеристики лопастных машин
Характеристикой динамического насоса называется зависимость основных его технических показателей от подачи при постоянных частоте вращения рабочего органа, вязкости и плотности жидкой среды на входе в насос.
Рабочие органы насоса рассчитывают для определённого сочетания подачи, напора и частоты вращения, причём размеры и форму проточной полости выбирают так, чтобы гидравлические потери при работе на этом режиме были минимальными. Такое сочетание подачи, напора и частоты вращения называется расчётным режимом. При эксплуатации насос может работать на режимах, отличных от расчётного. Для правильной эксплуатации насоса необходимо знать, как изменяются напор, КПД и мощность, потребляемая насосом, при изменении его подачи, т.е. знать характеристику насоса.
Основными характеристиками центробежного насоса являются рабочая и универсальная характеристики.
Рисунок 4.7 – Характеристики центробежных насосов
а – рабочая; б – универсальная
Рабочая характеристика (рисунок 4.7, а) включает зависимости:
ü 
— напорная характеристика;
ü 
— характеристика мощности на валу;
ü 
— экономическая характеристика;
ü 
— допустимая высота всасывания, полученная в результате кавитационных испытаний насоса (кавитационный запас).
Рабочая характеристика является частной, т.к. получена при определенной частоте вращения рабочего колеса. Однако при эксплуатации появляется необходимость судить о параметрах насоса Q, H, P и 
при любой возможной частоте вращения рабочего колеса. Для этого служит универсальная характеристика насоса (рисунок 4.7, б). На ней совмещаются характеристики насоса полученные при разных частотах вращения рабочего колеса.
4.3.4 Эксплуатационные расчеты центробежных насосов
В процессе проектирования насосных установок и станций необходимо учитывать ряд требований, от выполнения которых зависит надежность работы. Прежде всего выбор типоразмера насосов и их числа должен производиться в соответствии с необходимыми расходами и напорами.
Большое значение имеет геометрическая высота всасывания насоса, которая зависит от потерь во всасывающей линии. Поэтому для увеличения геометрической высоты всасывания и снижения опасности возникновения кавитации следует уменьшать потери во всасывающем трубопроводе следующими способами:
ü длина всасывающего трубопровода должна быть минимальной;
ü скорость во всасывающем трубопроводе должна быть меньшей, чем в напорном, т. е. всасывающий трубопровод должен иметь больший диаметр.
ü нужно избегать лишних поворотов всасывающего трубопровода, чтобы не создавать дополнительных местных потерь. Если устанавливается приемный клапан для заливки насоса, то учитываются гидравлические потери и в самом клапане, и в решетке. Размер клапана должен быть больше, чем размер трубопровода.
Надежность работы и легкость запуска насоса зависят от качества прокладывания всасывающего трубопровода:
ü всасывающий трубопровод был полностью герметичным, так как при работе в нем создается довольно глубокий вакуум и через неплотности в стыках будет всасываться воздух, который не только вызывает снижение подачи, но может привести и к полному прекращению подачи в напорный трубопровод;
ü форма всасывающего трубопровода должна быть такой, чтобы в нем не могли создаваться «воздушные мешки», которые при вращении рабочего колеса расширятся, перекроют все сечение и насос не запустится.
Для запуска в работу центробежного насоса необходимо заполнить жидкостью всю всасывающую линию и рабочее колесо; чтобы при этом жидкость не вытекала из насоса, в нижней части на всасывающей трубе установлен обратный клапан вместе с фильтрующей сеткой.
Для того чтобы перемещать жидкость по трубопроводам установки из приемного резервуара в напорный, необходимо затрачивать энергию на подъем жидкости на высоту hГ, на преодоление разности давлений 
в резервуарах и на преодоление суммарных гидравлических потерь всасывающего и напорного трубопроводов. Т.о. энергия необходимая для перемещения единицы веса жидкости из премного резервуара в напорный по трубопроводам установки или потребный напор установки определяется по формуле
где 
– статический напор установки, постоянный для данных условий.
Характеристикой насосной установки называется зависимость потребного напора от расхода жидкости. Геометрический напор и разность давлений от расхода не зависят, следовательно, статический напор также не зависит от расхода. При турбулентном режиме гидравлические потери пропорциональны расходу во второй степени
,
где k – сопротивление трубопровода насосной установки.
Следовательно, 
можно найти по формуле
.
Т.о., при изменении расхода в трубопроводе можно построить зависимость потребного напора от расхода – характеристику насосной установки (рисунок 4.8).
Рисунок 4.8 – Характеристика насосной установки
Уровень в приемном резервуаре совмещен с осью Q. Т.к. статический напор не зависит от расхода, то характеристика насосной установки представляет собой характеристику трубопровода , смещенную вдоль оси напоров на величину .
Насос установки работает на таком режиме, при котором 
, т.е. при котором энергия, потребляемая при движении жидкости по трубопроводам установки ( ) равна энергии, сообщаемой жидкости насосом ( 
). Определение рабочего режима насосной установки производится совмещением на одном графике (рисунок 4.9) в одинаковых масштабах характеристики насоса с характеристикой насосной установки. Равенство напоров получается для режима, определяемого точкой А пересечения характеристик, которая называется рабочей или режимной точкой с координатами: потребный напор – 
и фактическая подача 
.
Рисунок 4.9 – Определение режима работы на сеть
Точка 
должна находится в зоне оптимального КПД, которая определяется по характеристике КПД. Т.е. КПД в этой зоне не должен отличаться от максимального больше чем на 
.
При отсутствии насоса с необходимыми характеристиками устанавливают два и более меньших по параметрам насосов.
Для каждого вида насосов предусматривается выпуск определённого ряда типоразмеров, соответствующих требуемому диапазону параметров, который и представляет собой номенклатуру насосов.
Номенклатуры насосов в форме полей 
(рисунок 4.10), на которых показаны области всех предусмотренных типоразмеров насосов данного вида, приводятся в соответствующих каталогах и справочниках, где обычно даются их характеристики и необходимые размеры насосов.
Рисунок 4.10 – Сводный график полей консольных насосов
Номенклатуры насосов содержатся и в ГОСТах. Эти данные используются при подборе насосов и проектировании насосных установок и станций.
При отсутствии насоса с необходимыми характеристиками устанавливают два и более меньших по параметрам насосов.
4.3.5 Конструктивные разновидности лопастных насосов
К лопастным насосам относят центробежные, осевые, диагональные и вертикальные. Центробежные лопастные насосы могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми.
Тема: Объемные и центробежные гидравлические машины. Принцип работы гидропривода
Тема: объемные и центробежные Гидравлические машины. Принцип работы гидропривода
9.1. Теоретические основы гидромашин и гидроприводов.
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.
9.2. Лопастные гидромашины.
9.2.1. 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.
На основе 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.
9.3. Центробежные насосы
В технике применяются центробежные насосы самых различных конструкций, классифицируемых 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.
4) числу колес [одноступенчатые (одноколесные), многоступенчатые (многоколесные)]; кроме того, одноколесные насосы выполняют с консольным расположением вала – консольные;
5) напору [низкого напора до 2 кгс/см2 (0,2 МН/м2), среднего напора от 2 до 6 кгс/см2 (от 0,2 до 0,6 МН/м2), высокого напора больше 6 кгс/см2 (0,6 МН/м2)];
6) способу подвода воды к рабочему колесу [с односторонним входом воды на рабочее колесо, с двусторонним входом воды (двойного всасывания)];
7 способу разъема корпуса (с горизонтальным разъемом корпуса, с вертикальным разъемом корпуса);
8) способу отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса (спиральные и турбинные). В спиральных насосах жидкость отводится непосредственно в спиральный канал; в турбинных жидкость, прежде чем попасть в спиральный канал, проходит через специальное устройство – направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками);
9) степени быстроходности рабочего колеса (тихоходные, нормальные, быстроходные);
10 роду перекачиваемой жидкости (водопроводные, канализационные, кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и др.);
11) способу соединения с двигателем [приводные (с редуктором или со шкивом), непосредственного соединения с электродвигателем с помощью муфт]. Насосы со шкивным приводом встречаются в настоящее время редко.
Работа насоса характеризуется его подачей Q, напором HH, потребляемой мощностью NH, коэффициентом полезного действия hH и частотой вращения рабочего колеса.
Мощность насоса равна:
r — кг / м3 ; g — м / с2 ; Q — м3 / с ; HH — м ; NТЕОР — 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 hМ.
Объемные потери связаны с перетеканием жидкости из отвода рабочего колеса через зазоры обратно в подвод. Характеризуется hО.
Гидравлические потери связаны с преодолением жидкостью гидравлического сопротивления аодвода, рабочего колеса и отвода. Характеризуется hГ.
9.4. 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 насосного колеса 1 и турбинного колеса 2. Насосное колесо соединено с валом двигателя, а турбинное колесо соединено с валом приводимой машины.
Лопасти насосного 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.
9.5. Объемные гидромашины.
9.5.1. Принцип действия и основные параметры объемных гидромашин.
Под общим названием объемные гидромашины объединяют объемные насосы и гидродвигатели. Объемные насосы служат для подачи жидкости под давлением, а гидродвигатели — для преобразования потенциальной энергии давления жидкости в механическую исполнительного органа. В современных гидроприводах применяют настолько высокое давление, что по сравнению с ними скоростной и геометрический напоры пренебрежимо малы. Поэтому расчет преимущественно ведется в давлениях, а не в напорах.
Отличительной особенностью объемных гидромашин является возвратно-поступательное или вращательное движение вытеснителя, выполненного в виде скользящего или вращающегося поршня. В объемной гидромашине под воздействием поршня происходит изменение потенциальной энергии давления при практически неизменных величинах кинетической энергии и потенциальной энергии положения.
По конструкции объемные гидромашины разделяют на поршневые, роторно-поршневые, роторно-пластинчатые и роторно-зубчатые. Объемные гидромашины могут выступать в роли насоса и в роли гидродвигателя, т. е. они взаимо обратимы.
Принцип действия объемных гидромашин можно показать напримере поршневого насоса.
2 — Корпус — цилиндр;
3 — Выпускной клапан;
4 — Впускной клапан;
5 — Резервуар — питатель;
6 — Предохранительный клапан.
При движении поршня вправо давление в рабочей полости уменьшается. Выпускной клапан 3 закрывается, а впускной клапан 4 открывается и жидкость под действием атмосферного давления устремляется в рабочую полость насоса.
При движении поршня налево, впускной клапан закрывается, а выпускной, наоборот, открывается и жидкость из рабочей зоны вытесняется в поглотительный трубопровод.
Благодаря таким циклическим движениям поршня осуществляется подача жидкости в трубопровод.
Давление p, создаваемое насосом:
При полной герметичности рабочего объема подача жидкости объемной гидромашины не зависит от давления. Теоретически подача определяется величиной рабочего объема 
и частотой циклов n:
,
где s — ход поршня.
Теоретическая характеристика объемной гидромашины представляет вертикальную линию.
В действительности рабочий объем невозможно выполнить абсолютно герметичным. При любом давлении имеют место утечки жидкости через зазоры в поршне и клапанах. Кроме того, во избежание поломки ОГМ от чрезмерно большого давления в гидросистеме устанавливают предохранительный клапан на определенной давление pA.
Поэтому действительная подача Q будет меньше теоретической и равна:
; 
— объемный кпд.
9.5.2. Конструктивные схемы ОГМ и их основные характеристики.
9.5.2.1. Характеристики поршневого насоса.
Принципиальная схема схема работы поршневого насоса рассмотрена ранее. Подача поршневого насоса:
,
где V0 — рабочий объем, равный
,
где s0 — ход поршня;
h0 — объемный кпд насоса, учитывающий утечки жидкости;
n — частота циклов.
Достоинством поршневого насоса является их способность к самовсасыванию.
Подача поршневого насоса пульсирующая ввиду наличия двух тактов:
* всасывание жидкости в рабочую полость;
* вытеснение жидкости в питательный трубопровод.
9.5.2.2. Роторно-поршневые гидромашины
Подача одноцилиндровых поршневых насосов отличается большой неравномерностью. В некоторых случаях это неприемлемо. Для устранения неравномерности подачи можно идти по пути увеличения числа цилиндров, которые объединяются в одном блоке, а движение поршней сдвинуто по фазе относительно друг друга.
4 — всасывающая полость;
5 — нагнетательная полость.
Вытеснение жидкости осуществляется несколькими поршнями последовательно, приводимыми в движение двигателями вращательного действия. Такие многоцилиндровые поршневые гидромашины называют роторно-поршневые. Характерной особенностью таких машин является отсутствие всасывающих и питательных клапанов.
Различают радиально-поршневые и аксиально-поршенвые гидромашины.
В радиально-поршневых гидромашинах ротор 1 расположен эксцентрично статора 2. В роторе имеются радиальные цилиндрические отверстия — цилиндры. Поршень 3 при вращении ротора совершает в цилиндре возвратно-поступательные движения, скользя своими сферическими головками по внутренней поверхности статора. Донышки цилиндра имеют сверления и сообщаются поочередно с верхним и с нижним сегментами распределительной цапоры: 5 — нагнететельным и 4 — всасывающим.
Таким образом, при данном направлении вращения ротора верхний поршень будет двигаться под действием пружины вверх и совершать такт всасывания жидкости, а нижний поршень будет двигаться к донышку цилиндра и вытеснять жидкость в нагнетательный сегмент. За один оборот ротора поршень совершает полный цикл: всасывание и нагнетание. Но поскольку цилиндров несколько и они сдвинуты по фазе, подача становится более равномерной:
;
где d — диаметр поршня;
s0 — ход поршня = 2 × e;
z — число цилиндров;
n — частота вращения ротора;
h0 — объемный кпд.
Роторно-поршневые насосы обратимы. Они могут работать в качестве насоса и в качестве двигателя.
У аксиально-поршневых гидромашин цилиндры расположены в аксиальном направлении.
9.6. Роторные гидромашины.
Роторно-пластинчатые гидромашины являются одними из наиболее простых объемных гидромашин. Рассмотрим схему роторно-пластинчатого насоса.
Ротор 1 размещен между двумя, плотно прижатыми к нему дисками. В радиальных пазах ротора установлены пластины 3. Ось ротора расположена эксцентрично по отношению к статору 2.
Прижатые к статору с помощью пружин пластины вращаются вместе с ротором, совершая в пазах возвратно-поступательные движения.
Из-за эксцентриситета объем между поастинами в левой верхней части увеличивается, давление уменьшается и туда устремляется жидкость. Жидкость из всасывающей полости переносится в нагнетательную полость, где объем между пластинами уменьшается и вытесняется в нагнетательный трубопровод.
Подача роторно-пластинчатого насоса:
,
где e — эксцентриситет;
r — внутренний радиус статора;
b — ширина пластин;
n — частота вращения ротора.
Роторно-пластинчатые гидромашины обратимые.
9.7. 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
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.
,
где 2×m — высота зуба ( m — модуль зацепления );
DН — диаметр начальной окружности шестерни;
b — ширина шестерни;
n — частота вращения.
Шестереночные объемные гидромашины обратимые.
9.8. 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;
DН — диаметр основной окружности ведущего винта;
n — частота вращения.
9.9.Рабочие жидкости ОГМ
В зависимости от назначения гидромашины 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 жидкостям 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.
http://helpiks.org/3-19660.html
http://pandia.ru/text/77/457/13848.php