Учебное пособие 1464
.pdfМИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
Кафедра ракетных двигателей
ГИДРОГАЗОДИНАМИКА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профили «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность
жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность обращения с отходами») очной и заочной форм обучения
Часть 2
Воронеж 2019
1
УДК 532.5(07) ББК 22.253я7
Составители: д-р техн. наук Г. И. Скоморохов, канд. техн. наук Д. П. Шматов
Гидрогазодинамика: методические указания к лабораторным работам для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профиль «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность обращения с отходами») очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Г. И. Скоморохов, Д. П. Шматов. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2019. - Ч. 2. 41 с.
Методические указания содержат краткие теоретические сведения, схемы лабораторных установок и общие требования к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Гидрогазодинамика» (раздел «Гидромашины и гидроприводы»). Компьютерная лаборатория по разделу гидромашины и гидроприводы реализована в виде исполняемого программного файла “HYDLAB 2.EXE”.
Методические указания предназначены для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профили «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность обращения с отходами») очной и заочной форм обучения.
Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле
GidrogazTB2-2019.pdf.
Табл. 9. Ил. 19. Библиогр.: 5 назв.
УДК 532.5(07) ББК 22.253я7
Рецензент - А. В. Кретинин, д-р техн. наук, профессор кафедры нефтегазового обору-
дования и транспортировки
Издаётся по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета
2
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Гидрогазодинамика» является одной из основополагающих инженерных дисциплин при подготовке специалистов, работающих в области «Техносферная безопасность». Гидрогазодинамика (механика жидкости и газа) представляет собой теоретическую дисциплину, изучающую вопросы, связанные с механическим движением жидкости в различных природных и техногенных условиях. Предметом её исследований являются основные законы равновесия и движения жидкостей и газа и их силовое взаимодействие с твёрдыми телами. Гидравлику можно назвать базовой теоретической дисциплиной для обширного круга прикладных наук, с помощью которых исследуются процессы, связанные с транспортом жидкостей и газов по трубопроводам, сопровождающие работу гидравлических машин и гидроприводов оборудования для аварийных служб МЧС.
Компьютерная лаборатория гидравлических машин и гидроприводов реализована в виде исполняемого файла “HYDLAB 2.EXE” и предназначена для имитационного выполнения лабораторных работ с целью изучения принципа действия, испытания и определения рабочих характеристик насосов и объемных гидроприводов, закрепления основных теоретических положений дисциплины.
Компьютерная лаборатория гидравлических машин и гидроприводов включает в себя лабораторные стенды для испытания насосов и гидроприводов:
стенд для параметрических испытаний центробежных насосов;
стенд для испытания объемных насосов;
стенд для кавитационных испытаний центробежных насосов;
стенд для испытаний регулируемого объемного гидропривода вращательного
действия;
стенд для испытаний регулируемого гидропривода возвратно-поступательного действия с последовательно включенным дросселем;
стенд для испытания регулируемого гидропривода возвратно–поступательного действия с параллельно включенным дросселем;
установку для испытаний гидродинамической муфты.
Методика выполнения лабораторных работ в оболочке виртуальной лаборатории с применением компьютерной версии лаборатории сводится к следующему:
обратиться к программам “HYDLAB 2.EXE” и выбрать выполняемую лабораторную работу;
войти в меню настройки, ознакомиться при необходимости с информацией по лабораторному стенду и произвести выбор постоянных параметров лабораторной установки;
включить режим выполнения лабораторной работы, произвести измерения необходимых параметров и внести полученные данные в таблицу протокола;
выйти из программы, обработать результаты измерений, построить необходимые графики и характеристики, сделать вывод по выполненной лабораторной работе;
оформить лабораторную работу, ответить на контрольные вопросы и представить её к защите преподавателю.
Обработка результатов измерений и вычисления параметров эксперимента выполняются в табличной форме по формулам и уравнениям, приведенным в методических указаниях для соответствующей работы. Лабораторные работы оформляется согласно требованиям
СТП ВГТУ 62-2007.
3
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
Факультет машиностроения и аэрокосмической техники (ФМАТ)
Кафедра ракетных двигателей
Журнал для выполнения лабораторных работ
по дисциплине «Гидрогазодинамика»
Выполнил(а) студент(ка) |
|
|
гр. ___________ |
_________________________________ |
|
|
Подпись, дата |
ФИО |
Руководитель
__________________________________
Подпись, дата ФИО
Нормоконтролер __________________________________
Подпись, дата ФИО
Защищена _________________Оценка
_________________дата
Воронеж, 20___
4
Лабораторная работа № 1 Параметрические испытания центробежного насоса
Цель работы:
1)изучить работу насосной установки с центробежным насосом;
2)освоить методику параметрических испытаний центробежного насоса;
3)провести параметрические испытания и получить графическую характеристику центробежного насоса.
Краткие теоретические сведения. Лопастные насосы представлены в современной промышленности тремя основными типами – центробежные, осевые и диагональные насосы. Широкое распространение их объясняется достаточно высоким коэффициентом полезного действия, компактностью и удобством комбинирования их с приводными двигателями.
В настоящей работе рассматриваются устройство и работа центробежного насоса 2К- 6, схема которого приведена на рисунке 1.1.
Основным элементом центробежного насоса (рисунок 1.1) является рабочее колесо 1, состоящее из двух дисков, соединенных изогнутыми лопастями. Жидкость по всасывающему трубопроводу 2 поступает в центральную часть рабочего колеса и под действием центробежных сил движется по межлопастным каналам к его периферии. Увеличивающееся к выходному патрубку - отводу 3 – поперечное сечение спирального канала приводит к плавному снижению большой скорости, полученной жидкостью на выходе из рабочего колеса, до нормальной скорости в отводе 3 и далее в нагнетательном трубопроводе.
Рисунок 1.1 – Одноступенчатый центробежный насос
Внутри корпуса центробежного насоса может быть установлено одно или несколько рабочих колес. Соответственно, центробежные насосы делятся на одно - и многоступенчатые. В многоступенчатых насосах для повышения напора жидкость, выходящая из первого рабочего колеса, поступает на второе рабочее колесо, затем на третье и т.д. Общий напор, создаваемый многоступенчатым насосом, приблизительно равен сумме напоров, приобретенных жидкостью в каждом рабочем колесе.
В данной работе проводятся параметрические испытания с целью определения технических показателей (параметров) и характеристик центробежных насосов.
Рабочие характеристики представляют собой зависимость напора, создаваемого насосом, мощности на валу насоса и полного КПД от подачи (производительности) насоса. Все эти зависимости представляются в виде кривых на одном графике при постоянном числе
оборотов рабочего колеса.
5
Работа насоса характеризуется следующими основными техническими показателями:
подачей - Q, напором - H, мощностью - N, коэффициентом полезного действия - , частотой вращения - n и ∆ д - допускаемым кавитационным запасом.
На рисунке 1.2 представлена паспортная графическая характеристика центробежного насоса К 8/18 при частоте вращения – 48 с-1 (2900 об/мин), жидкость вода - =1000 кг/м3. Консольные насосы К 8/18 предназначены для перекачивания воды с pH = 6 - 9 и других жидкостей, сходных с водой по плотности, вязкости и химической активности. Размер твердых включений до 0,2 мм с объемной концентрацией не более 0,1%.
Характеристика насоса: Подача - 8 м3/час; Напор - 18.00 м; Частота вращения - 2900 (48) об/мин (сек-1); Максимальная потребляемая мощность - 1.20 кВт; Допускаемый кавитационный запас - ∆ д = 3.80 м, не менее; Масса насоса - 32 кг.
Рисунок 1.2 – Графическая характеристика насоса К 8/18 при частоте вращения – 48 с-1 (2900 об/мин), плотность жидкости (вода) - =1000 кг/м3
Описание установки. Для испытания насосов используются установки с открытой или закрытой циркуляцией жидкости. На рисунке 1.3 приведена виртуальная лабораторная установка открытого типа. Она состоит из центробежного насоса 1 с электродвигателем, всасывающего трубопровода 2 с обратным клапаном, напорного трубопровода 3 с задвижкой 4, напорного резервуара и контрольно-измерительной аппаратуры 5, 6 и 9-11.
6
Рисунок 1.3 - Схема лабораторного стенда для испытания центробежного насоса
Контрольно-измерительная аппаратура служит для замера подачи (диафрагма 5 и ртутный дифференциальный манометр 6), давления на выходе из насоса (манометр 7), вакуума на входе в насос (вакуумметр 8), крутящего момента на валу насоса (балансирный электродвигатель с рычагом 9 и весами 10) и частоты вращения вала электродвигателя (тахометр11).
Порядок выполнения работы и обработка опытных данных:
1.Обратиться к программе “HYMLAB.EXE”, войти в главное меню и выбрать выполняемую лабораторную работу. Войти в меню настройки лабораторной установки, ознакомиться с информацией по лабораторному стенду и произвести выбор постоянных параметров лабораторной установки или марки испытуемых гидравлических машин.
2.Установить начальное положение задвижки и при заданном режиме работы насоса, когда (Q = 0), снять показания дифференциального манометра 6, манометра 7, вакуумметра 8, весов 10 и тахометра 11.
3.Создать не менее восьми различных режимов работы насоса с помощью задвижки 4, обеспечивая различную подачу вплоть до Qmax. При каждом режиме снимать показания приборов, перечисленных в п. 2. Результаты замеров записать в таблицу 1.1.
4.Используя результаты измерений, полученные опытным путем, вычислить параметры, необходимые для построения напорной и энергетической характеристик насоса:
7
Подача насоса Qон вычисляется по формуле (1.1)
|
|
|
|
|
|
|
|
где С - постоянная диафрагмы, |
о,н =; |
, ⁄ , |
|||||
h - перепад давлений по |
дифманометру - 6, мм. рт. ст. |
||||||
|
⁄ |
|
|
|
|
||
Напор насоса Нон определяется по формуле |
|||||||
|
|
он = |
м |
в |
+ м + |
м в |
, |
|
|
|
|
|
(1.1)
(1.2)
в которой средние скорости движения жидкости в напорном и всасывающем трубопроводах вычисляются по формулам:
н = |
он |
; |
в = |
он |
, |
н |
в |
где Qоп - подача насоса, м3/с;
dн, dв, - диаметры напорного и всасывающего трубопроводов, м;
в - вакуумметрическое давление, измеренное пружинным манометром записывается со знаком минус (-).
Так как диаметры всасывающего и напорного трубопроводов равны, то н = в.
Мощность потребляемая насосом Nоп вычисляется по формуле
он = = ( − ) |
он |
, Вт |
(1.3) |
|
где М - крутящий момент на валу насоса, Н м;
- угловая скорость вала насоса, рад/с; F - показания весов, н;
F0 - показания весов при отключенном насосе, н; L - длина рычага, м;
nон - частота вращения вала насоса, об/мин.
Поскольку при каждом режиме работы частота nон может отличаться от номинальной nн, опытные величины подачи Qон, напора Нон и мощности Nон необходимо привести к величине nн по формулам подобия:
= |
|
н |
|
= |
|
н |
|
= |
|
н |
|
|
он |
|
; |
он |
|
; |
он |
|
. |
(1.4) |
|||
он |
он |
он |
Если nон= nн , то Q = Qон; H = Hон; N = Nон.
Полезную мощность насоса вычислить по формуле |
|
|||||
н |
|
|
|
|
. |
(1.5) |
КПД насоса - отношение полезной мощности и мощности насоса, вычислить по |
||||||
формуле |
= |
= |
|
|
||
|
|
|
н |
|
|
(1.6) |
|
|
|
|
|
||
5. Результаты вычислений занести в=таблицу. |
1.1. По данным таблицы 1.1 построить |
|||||
графические зависимости испытуемого центробежного насоса: |
|
|||||
= ( ), |
=8 ( ) , = ( ) . |
|
Таблица 1.1 - Протокол результатов измерений и вычислений
Положение задвижки- А |
|
Измеряемые параметры |
|
|
|
Рассчитываемые параметры |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pм, |
pв, |
h, |
F, |
nон, |
Hон, |
Nон, |
Nн, |
Qон, |
H, |
N, |
Q, |
|
|
|
|
||||||||||||
|
мм. |
об/м |
, |
||||||||||
|
Па |
Па |
рт. |
H |
ин |
М |
кВт |
кВт |
Л/С |
м |
кВт |
л/с |
% |
|
|
|
ст. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
1.Что называется характеристикой насоса?
2.Что такое идеальная подача насоса подача, и как она определяется?
3.Что такое мощность насоса и полезная мощность?
4.Какие потери учитывает КПД насоса и его связь с другими КПД?
5.Как изменяются подача, напор и мощность насоса при изменении частоты вращения рабочего колеса?
9
Лабораторная работа № 2 Кавитационные испытания центробежного насоса
Цель работы:
1)убедиться на практике в существовании явления кавитации в центробежном насосе и уяснить причины ее возникновения;
2)освоить методику кавитационных испытаний центробежного насоса;
3)получить в результате испытаний кавитационную характеристику насоса.
Краткие теоретические сведения. Кавитацией называется образование и после-
дующее захлопывание в потоке жидкости парогазовых пузырьков, сопровождающееся непрерывными гидравлическими микроударами высокой частоты, большими давлениями и температурами в центрах захлопывания. При кавитации изменяется характеристика насоса, снижаются его технические показатели, возникают шум (треск, удары) и вибрация, происходит интенсивная эрозия поверхностей рабочих органов (лопастей, подвода). Кавитация ограничивает высоту всасывания насоса.
Кавитация возникает, когда абсолютное давление в потоке падает до давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. При этом из жидкости интенсив-
но выделяются пузырьки, заполненные парами жидкости и растворенными в ней газами (жидкость закипает).
Выделяющиеся из жидкости в местах пониженного давления пузырьки, заполненные паром, уносятся потоком и, попадая в область с повышенным давлением, конденсируются. При этом частицы жидкости, окружающие пузырьки пара, с весьма большими скоростями устремляются в пространство с повышенным давлением. Происходит схлопывание пузырьков, т.е. столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен и даже тысяч атмосфер. Если конденсация происходит у стенок каналов насоса, то материал стенок быстро разрушается. Причем в первую очередь разрушаются те места, в которых имеются микроскопические трещины на поверхности стенок. Например, из чугуна прежде всего выбиваются графитовые включения, а затем жидкость, действуя как клин, еще более интенсивно разрушает материал стенок, образуя на их поверхности значительные раковины.
Кроме того, материал стенок подвергается разрушению от химического воздействия воздуха богатого кислородом, и различных газов, выделяющихся из жидкости. Описанный процесс разрушения стенок каналов называется эрозией и является очень опасным следствием кавитации. Разрушение рабочего колеса вследствие кавитации показано на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Разрушение рабочих колес вследствие кавитации
10