практикум по гидравлике и гидравлическим машинам Утверждено редакционноиздательским советом акад

Работа добавлена на сайт samzan.net:

федеральное  агенство  по  образованию

воронежская  государственная  технологическая  академия

В.С. Калинина

И.с. Наумченко      А.А. Смирных

Лабораторный практикум

по гидравлике и гидравлическим машинам

Утверждено

редакционно-издательским советом академии

в качестве учебного пособия

Воронеж  2005

УДК 621.65(076.5)

ББК Л80–5 я 7

Н 31

Научный редактор д-р т.н., профессор А.Н. Остриков

Рецензенты:

Кафедра гидравлики и теплотехники Воронежской лесотехнической академии (зав. каф., проф. Попов В.М.).

Начальник отдела комплектации оборудования ОАО «Воронежсинтезкаучук», Лях В.П.

Печатается  по решению

редакционно-издательского совета

Воронежской государственной технологической академии

Лабораторный практикум по гидравлике и гидравлическим машинам Учеб. пособие / В.С. Калинина, И.С. Наумченко, А.А. Смирных; Воронеж. гос. технол. акад., Воронеж. 2004, 90 с.

ISBN 5-89448-129-5

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями, предъявляемыми квалификационной характеристикой ГОС ВПО подготовки инженеров по направлениям: 655900 - «Технология сырья и продуктов животного происхождения» (специальностей 270900, 271000, 271100), 655800 - «Пищевая инженерия» (специальностей 170600,271300), Производство продуктов питания из растительного сырья» (специальностей 270100, 270300, 270400, 270500), 656600 - «Зашита окружающей среды» (специальностей 320200, 320700), 655500 - «Биотехнология» (специальности 271500), 655700  «Технология продовольственных продуктов специального назначения и общественного питания» (специальности 271200), 657900 - «Автоматизированные технологии и производства» (специальности 210200), 655400 - «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» (специальность 170500), 653800 - «Стандартизация, сертификация и метрология» (специальность 072000), 651100 - «Техника и физика низких температур» (специальность 070200), 654700 - «Информационные системы» (специальность 071900), специальности 351400 – «Прикладная информатика (в экономике)».. Оно предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплин "Гидравлика и гидравлические машины" и "Гидравлика, гидро- и пневмопривод" цикла ОПД. Рассмотрены классификация и принцип действия основных приборов и устройств для измерения рабочих параметров жидких сред и насосов. Даны основные параметры работы насосов и их характеристики.

©  Калинина В.С.,

Наумченко И.С.,

Смирных А.А., 2005

©  Воронеж.  гос.

технол. акад., 2005

Содержание

Предисловие
Техника безопасности при работе в лаборатории
Требования к составлению отчета
1. Техника гидродинамического эксперимента
Приборы для измерения давления
Измерение скорости в потоках
Способы измерения расхода
2. Лабораторный практикум
Лабораторная работа № 1. Относительный покой жидкости в равномерно вращающимся вокруг вертикальной оси цилиндрическом сосуде
Лабораторная работа № 2. Изучение режимов движения жидкости
Лабораторная работа № 3. Материальный и энергетический балансы потока
Часть I. Построение диаграммы уравнения Бернулли
Часть II. Определение коэффициентов гидравлического трения на прямолинейных участках трубопровода
Часть III. Определение коэффициента местного гидравлического сопротивления
Лабораторная работа № 4. Тарировка мерной диафрагмы
Лабораторная работа № 5. Испытание центробежно-вихревого насоса
Лабораторная работа № 6. Испытание центробежного вентилятора
Лабораторная работа № 7. Изучение устройства насосов и определение их параметров
Лабораторная работа № 8. Нормальные испытания центробежного насоса
Лабораторная работа № 9. Кавитационные испытания центробежного насоса
Библиографический список

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторный практикум предназначен для студентов дневной и заочной форм обучения. В зависимости от объема часов, выделяемых на лабораторные работы по рабочей программе соответствующей специальности, может выполняться лишь часть работ, представленных в сборнике. На одну лабораторную работу отводится 2-4 часа.

При выполнении лабораторных работ студенты должны ознакомиться с основными измерительными приборами, применяемыми в гидравлическом эксперименте, методикой измерений гидравлических параметров, с правилами эксплуатации насосных установок, регулирующей и запорной арматуры, а также научиться производить гидравлические расчеты.

Перед началом эксперимента каждый студент должен изучить методику выполнения работы, заготовить бланк отчета и пройти собеседование с преподавателем по вопросам выполнения данной работы. После окончания лабораторных занятий результаты измерений предъявляются преподавателю для визирования.

 

ТЕХНИКА  БЕЗОПАСНОСТИ

ПРИ РАБОТЕ  В  ЛАБОРАТОРИИ

Выполняя экспериментальную часть работы, студенты руководствуются методическими указаниями, указаниями преподавателя и инструкцией по технике безопасности.

1.  К выполнению работ в лаборатории допускаются студенты, получившие инструктаж по технике безопасности у преподавателя с соответствующим оформлением в журнале.
2.  Необходимо начинать работу только с разрешения преподавателя, полученного после проверки знаний студента последовательности выполнения лабораторной работы.
3.  ЗАПРЕЩАЕТСЯ включать электропривод установки, открывать и закрывать краны в трубопроводах, если это не связано с выполнением работы.
4.  Некоторые установки запитаны от водопроводной сети, в которой давление воды может колебаться, поэтому открывать краны необходимо медленно во избежание повреждения установки и последующего выброса воды или масла.

Пуск установки производиться в полном соответствии с правилами, приведенными в описании каждой лабораторной работы.

В случае появления стуков и ударов, а также нарушения нормального режима работы машины, установка должна быть немедленно выключена, о всех замеченных неполадках и неисправностях студенты обязаны ставить в известность преподавателя или лаборанта.

 ПОСЛЕ РАБОТЫ НЕОБХОДИМО ОТКЛЮЧИТЬ ПИТАНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ПОДАЧУ ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ К УСТАНОВКАМ.

ТРЕБОВАНИЯ  К  СОСТАВЛЕНИЮ  ОТЧЕТА

Студент оформляет отчет по каждой лабораторной работе на стандартных листах формата А4 с одной или обеих сторон. Отчет по работе должен содержать:

•  титульный лист;
•  цель выполнения работы;
•  принципиальную схему установки;
•  таблицу опытных данных с указанием единиц измерения всех величин;
•  результаты последующих вычислений, сведенных в таблицы;
•  графики результатов работы, построенные на миллиметровой бумаге с обязательным нанесением на них экспериментальных и расчетных точек;
•  выводы, соответствующие цели работы; с объяснением причин возможного расхождения результатов расчета и эксперимента.

К началу следующего занятия студен сдает преподавателю оформленный отчет по предыдущей работе. Защита отчета происходит по форме собеседования преподавателя со студентом по теоретическим вопросам, относящимся к выполненной работе и контрольным вопросам к ней.

С незащищенными отчетами к следующим лабораторным работам студенты не допускаются.

1.  ТЕХНИКА  ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

Приборы  для  измерения  давления

Требования, предъявляемые современной наукой и техникой к приборам для измерения давлений, чрезвычайно разнообразны.

Многообразие требований породило огромное количество приборов, различных по принципу действия, точности измерения и конструктивному оформлению.

Условно все приборы для измерения давления можно классифицировать по следующим признакам:

1.  по роду измеряемой величины;
2.  по принципу действия;
3.  по классу точности.

По роду измеряемой величины в зависимости от необходимости измерения атмосферного, абсолютного, избыточного или вакуумметрического давления существует несколько видов приборов.

Приборы, предназначенные для измерения атмосферного давления, называются барометрами, для измерения избыточного давления – манометрами, для измерения вакуума – вакуумметрами.

Приборы, позволяющие измерять и избыточное давление, и вакуум, называются мановакуумметрами.

В некоторых случаях бывает достаточно знать разность давлений в двух различных точках; измерение разности давлений может быть выполнено с помощью дифференциального манометра.

По принципу действия все приборы можно разделить на жидкостные, механические, электрические и комбинированные.

К жидкостным относятся приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, заключающемся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого определяется непосредственно или путем расчета.

Принцип действия пружинных или механических приборов заключается в том, что под действием давления происходит деформация некоторого упругого элемента, и величина этой деформации служит мерой измеряемого давления.

Принцип действия электрических приборов основан на изменении электрических свойств некоторых материалов или изменении каких-либо электрических параметров под действием давления.

К комбинированным относятся те приборы, принцип действия которых носит смешанный характер.

По точности показаний все серийно выпускаемые приборы делятся на классы. Классом точности прибора называется число, выражающее максимальное значение возможной погрешности в процентах от предельного значения шкалы прибора.

Установленные классы точности для приборов давления соответствуют следующему ряду: 0,005; 0,01; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0. Для пружинных образцовых манометров и вакуумметров дополнительно допущен класс 0,35.

Исходя из требований поверочной практики, необходимо классифицировать приборы еще по принципу их назначения. Все механические приборы можно разделить на технические и образцовые. Образцовые приборы непосредственно сверяются с эталонными и используются, главным образом, для целей проверки. Технические приборы, менее точные, используются для непосредственных измерений.

Рассмотрим некоторые приборы подробнее.

Жидкостные  приборы

Для измерения избыточного давления применяются пьезометры и манометры.

Пьезометр является наиболее простым прибором для измерения избыточного давления и представляет собой обычно стеклянную трубку, открытую в атмосферу, присоединенную вторым концом к точке, на уровне которой измеряется давление. По высоте столба жидкости в пьезометре определяется величина избыточного давления (рис.1.1).

 U-образный манометр (рис.1.2) состоит из стеклянной трубки, согнутой наподобие буквы U, и шкалы, расположенной за трубкой. Трубка заполняется какой-либо жидкостью. Один конец трубки соединяют с замкнутым пространством, в котором измеряется давление, а второй оставляют открытым в атмосферу.

   ,  (1.1)

где h – разность уровней жидкости в левом и правом коленах трубки.

Этот прибор пригоден и для измерения разрежения, поэтому его иногда называют U-образным мановакуумметром.

Если вместо атмосферы вторую трубку соединить с каким-то другим пространством, то можно определить разность давлений в двух присоединенных пространствах, т.е. прибор работает как дифференциальный манометр.

Механические  приборы

Принцип действия механических приборов для измерения давления заключается в том, что под действием давления происходит деформация упругого элемента, пропорциональная величине давления. По типу упругих элементов, применяемых в приборах для измерения давления, последние делятся на пружинные (или трубчатые), мембранные и сильфонные.

Механические приборы имеют ряд преимуществ перед остальными: простота устройства и использования, портативность, универсальность и, что пожалуй самое важное, практически неограниченный диапазон измерения, начиная от несколько десятком миллиметров до тысяч ат

мосфер.

Чаще всего используются пружинные приборы (рис.1.3). Основной деталью пружинных приборов является согнутая по дуге окружности полая трубка. Один конец трубки сообщается с измеряемым давлением, а второй запаян. Манометр имеет внизу ниппель с резьбой для подключения прибора к пространству, в котором измеряется давление.

Свободный запаянный конец трубки шарнирно соединен с поводком, который, в свою очередь, шарнирно связан с сектором, находящемся в зубчатом зацеплении с маленькой шестеренкой (трибкой). На ось трибки насажена стрелка, которая указательным концом подходит к шкале, нанесенной на циферблате. Если манометр присоединить к полости с избыточным давлением, то силы давления в трубке несколько распрямляют ее, свободный конец трубки при этом перемещается, поводок поворачивает зубчатый сектор и находящуюся с ним в зацеплении стрелку. По положению стрелки на шкале судят о величине измеряемого давления. Перемещение конца трубки в некоторых пределах линейно зависит от созданного в ней давления, поэтому шкала манометра обычно равномерная.

Измерение  скорости  в  потоках

Измерение скорости во многих исследованиях является важнейшей задачей, поэтому создано большое число основанных на различных методах приборов для измерения скорости.

Рассмотрим кратко метод, наиболее часто используемый для измерения скорости.

 Гидромеханический метод. Суть его заключается в вычислении некоторой разности давлений в определенных точках на поверхности вносимых в поток приборов.

Измерение скорости при помощи скоростной трубки основано на измерении давления в точке полного торможения потока, которое зависит от скорости. Конструктивные исполнения скоростных трубок могут быть весьма различными.

Наиболее часто употребляются трубки, позволяющие измерить разность между полным и статическим давлением в определенной точке потока. Полное давление измеряется при помощи трубки Пито.

Трубка Пито (рис.1.4) представляет собой согнутую под прямым углом трубку, обращенную своим открытым концом навстречу потоку. Скорость перед трубкой (в точке А) равна нулю. Полное давление у переднего открытого конца ее

    ,            (1.2)

где P0 и 0 – давление и скорость невозмущенного потока на некотором расстоянии перед точкой А.

Зная статическое давление (измерение его можно произвести простым пьезометром), можем определить скорость

 . (1.3)

Трубка полного напора и статическая трубка, конструктивно объединенные в одном приборе, представляют собой гидродинамическую трубку или трубку Пито-Прандтля (рис.1.5).

Измерив перепад между уровнями в динамической и статической трубках, находим скорость     ,   (1.4)

где  - коэффициент, учитывающий, что полного торможения жидкости около трубки Пито не происходит, а, следовательно, не вся ее кинетическая энергия расходуется на создание динамического давления.

Коэффициент  определяется с помощью специальных тарировочных опытов, обычно  = 1,01 – 1,05.

Способы  измерения  расхода

Самыми простыми и точными способами измерения расхода жидкости, которыми обычно пользуются при тарировке приборов, измеряющих расход, являются объемный и весовой способы.

При объемном способе жидкость из трубопровода жидкость из трубопровода поступает в тщательно тарированный резервуар (мерник), при этом фиксируется время его наполнения.

Объемный расход равен объему резервуара W, деленному на время его наполнения 

   .   (1.5)

При весовом способе определения расхода определяется вес жидкости, натекающей в резервуар за некоторое время. Количество жидкости, натекающей за единицу времени, есть весовой расход. Объемный расход можно получить, разделив величину весового расхода на удельный вес жидкости.

Расходомерами переменного перепада давления  называются приборы, основанные на измерении перепада давления, создаваемого в зависимости от расхода жидкости или газа сужающим устройством, напорными трубками, напорным усилителем или трубным сопротивлением.

Из сужающих устройств обычно применяются сопла (рис.1.6), трубы Вентури (рис.1.7) и наиболее часто мерные диафрагмы (рис.1.8). 

Практически перепад давления измеряют непосредственно у торцов сужающего устройства, при этом расход выражают в виде

                           (1.6)

где h – перепад давления, созданный суживающим устройством;  - коэффициент расхода, зависящий от геометрии устройства и режима течения и не зависящий от рода жидкости.

Расходомеры обтекания представляют собой приборы, состоящие из тела (поплавка, диска, поршня или крыла),  которое   воспринимает динамическое давление обтекающего его потока и перемещается в зависимости от величины расхода.

Наиболее употребительным прибором этого класса является ротаметр, состоящий обычно из стеклянной конической трубки, внутри которой перемещается поплавок. В зависимости от величины скорости меняется

динамическое давление, действующее на поплавок. Высота подъема поплавка определяется равенством веса поплавка силам, действующим на него со стороны потока жидкости.

Все описанные выше устройства для измерения расхода относятся к контактным расходомерам, т.е. таким, которые создают препятствия движущемуся потоку жидкости.

В настоящее время все большее развитие получает бесконтактная расходометрия. Примером такого рода устройств могут служить индукционные расходомеры, являющиеся разновидностью электрических расходомеров.

1.    ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Лабораторная  работа  № 1

ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ ПОКОЙ ЖИДКОСТИ В РАВНОМЕРНО ВРАЩАЮЩЕМСЯ ВОКРУГ

ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСИ

ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ СОСУДЕ

Цель работы –  экспериментально определить высоту параболоида свободной поверхности жидкости в равномерно вращающемся вокруг вертикальной оси цилиндрическом сосуде и сопоставить результаты измерений с теоретическими расчетами.

Теоретическая часть. В состоянии относительного покоя форма объема жидкости не изменяется и она, подобно твердому телу, перемещается как единое целое. Так жидкость находится в относительном покое внутри вращающегося с постоянной угловой скоростью барабана центрифуги. Состояние равновесия жидкости, находящейся в относительном покое в равномерно вращающемся сосуде (рис.2.1), описывается уравнением

  ,                (2.1)

где р – гидростатическое давление в рассматриваемой точке жидкости, Па;  - плотность жидкости, кг/м3; n  частота вращения, с-1; g – ускорение свободного падения, м/с2; r – радиус вращения.

Уравнение формы свободной поверхности жидкости в равномерно вращающемся сосуде

   ,            (2.2)

где z – координата любой точки, лежащей на свободной поверхности на расстоянии r от оси вращения, м; z0 – вертикальная координата вершины параболоидов свободной поверхности, м.

Выражение (2.2) – это уравнение параболоида вращения. Из уравнения (2.2) видно, что форма свободной поверхности жидкости в равномерно вращающемся сосуде не зависит от рода налитой в сосуд жидкости. Уравнение (2.1) показывает, что при большой угловой скорости можно получить весьма значительную силу давления на стенку. Это используется в некоторых фрикционных муфтах, где для осуществления сцепления двух валов требуется создание больших сил нормального давления.

Этот способ применяется для определения осевого давления жидкости на рабочие колеса центробежных насосов, а также на крышки центрифуг и сепараторов. В цилиндрический сосуд из органического стекла 3 (рис.2.2) диаметром 150 мм залита подкрашенная

жидкость. Сосуд закреплен в обойме 4 и вращается вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью при помощи ременной передачи от шкива электродвигателя постоянного тока 5.

Над сосудом неподвижно зафиксирована крышка 2 В корпусе 1 расположен выпрямитель с реостатом 6, используемый для изменения чисел оборотов цилиндра. Число оборотов измеряется тахометром электрического типа (датчик 10, измеритель 9). На приборную панель выведены измеритель 9 электрического типа, тумблер включения установки 8, ручка 7 выпрямителя с реостатом 6.

Методика проведения работы

Включить тумблер 9 и при помощи ручки 8 выпрямителя с реостатом установить заданное преподавателем число оборотов сосуда. Выждать пока жидкость в сосуде не придет в состояние относительного равновесия, о чем судят по стабилизации свободной поверхности и неизменяемой высоте параболоида. Замерить высоту h , для чего использовать разметку, нанесенную на стенку сосуда.

Обработка результатов эксперимента

Определить окружную скорость , м/с стенки сосуда по формуле

   ,            (2.3)

где D – внутренний диаметр сосуда, м; n – частота вращения объема, мин-1.

Рассчитать высоту параболоида вращения hр , м, по формуле

   .               (2.4)

Сравнить рассчитанную высоту параболоида вращения hр с фактической величиной  h и пояснить причину возможного расхождения.

Данные замеров и результаты вычислений занести в табл.2.1.

Таблица 2.1

D, м	h, м	n, мин-1	, м/с	hр, м

Контрольные вопросы

1.  Относительное равновесие (покой) жидкости. Примеры такого равновесия, встречающиеся в природе и использующиеся в технике.
2.  Вывод дифференциальных уравнений Эйлера. Физический смысл слагаемых, входящих в уравнения Эйлера для поля сил земного тяготения.
3.  Силы, действующие на жидкость при равномерном вращении ее вокруг вертикальной оси в цилиндрическом сосуде. Вывод уравнения свободной поверхности для рассматриваемых условий.
4.  Экспериментальная установка и порядок выполнения работы на ней. Правила безопасной работы на установке.
5.  Анализ результатов эксперимента и выводы по работе.

Список основных источников:  [1, с.31-34].

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы – визуально наблюдать режимы движения жидкости, установить опытным путем критическое значение числа Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного режима в турбулентный.

Теоретическая часть. Существует два режима течения: ламинарный и турбулентный. Обычно при малых скоростях струйки жидкости движутся параллельно, скользя относительно друг друга. При непрерывном возрастании скорости потока будут нарастать потери напора из-за трения жидкости (пропорционально скорости). Такой режим называется ламинарным. Когда значение числа Рейнольдса (Re), определяемого средней скоростью потока , диаметром трубы d, плотностью жидкости  и динамической вязкостью жидкости  достигнет определенного критического значения (Reкр = 2300), режим движения резко, скачкообразно начинает меняться. Проявляет действие всеобщий закон о переходе количества в качество. При больших скоростях наблюдается поперечное перемещение струек жидкости за счет образования вихрей. Потери напора на трение будут нарастать и стремиться к квадратичной зависимости от скорости.

Если Re < 2300, то должен иметь место ламинарный режим; если  Re > 2300, то режим турбулентный.

Необходимо отметить, что приведенное критическое значение число Рейнольдса является в известной степени условной величиной, так как трудно обнаружить резкий переход от ламинарного режима к турбулентному. В действительности наблюдается так называемая «переходная» область исчезновения ламинарного режима, установления турбулентного состояния потока. Числовые значения критерия Рейнольдса для неразвитого турбулентного режима находятся в пределах 2300  10000. При Re > 10000 режим потока становится развитым турбулентным.

При уменьшении скорости жидкости возможен обратный переход к ламинарному режиму движения.

При движении реальных жидкостей возникают силы сопротивления, вследствие чего как при ламинарном, так и при турбулентном режиме часть напора теряется на преодоление гидравлических сопротивлений. Эти потери различны, так как условия движения жидкости при разных режимах различны, поэтому при проведении гидравлических расчетов систем и решении задач, связанных с движением жидкости, необходимо вначале установить режим движения жидкости.

В большинстве технологических аппаратов наблюдается турбулентный режим движения, обеспечивающий более интенсивное протекание тепломассообменных процессов.

Описание установки

Установка для определения числа Рейнольдса (рис.2.3) состоит из напорного бака 1, питательного трубопровода 2 с регулирующим вентилем 3, успокоителя 4, мерного  бака 5, стеклянной трубы 6 диаметром 0,03 м, предназначенной для наблюдения за режимами движения, и бачка с раствором красителя 7. Во избежание переполнения бака в нем предусмотрен водослив. Подача красителя регулируется краном 8. 

Методика проведения работы

Наполнить водой напорный бак 1. Уровень воды в баке при проведении опытов должен поддерживаться постоянным. Это достигается с помощью водослива.

Все опыты проводить при установившихся потоках.

Приоткрыть вентиль 3 на питательном трубопроводе и для подачи красителя открыть кран 8. Подкрашенная струйка при ламинарном режиме должна быть прямой. Зарисовать наблюдаемую картину движения жидкости в трубе.

Открывая вентиль 3 и плавно увеличивая расход воды, добиться начала разрушения ламинарного режима. При некотором открытии вентиля окрашенная струйка начинает искривляться и становиться волнообразной.

Закрыть кран на сливной трубе 9 и определить расход жидкости и помощью мерного бака и секундомера. Измерить температуру воды и найти соответствующее значение кинематического коэффициента вязкости (приложение А).

По полученному значению расхода и критической скорости определить критическое значение числа Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного режима в турбулентный (определение Reкр повторить не менее 3-х раз).

Открыть полностью вентиль 3. Наблюдать турбулентный режим течения и зарисовать картину движения  ее подкрашенной части.

Обработка результатов эксперимента

Определить расход, м3/с

   ,            (2.5)

где W – объем жидкости в мерном баке, м3;  - время наполнения, с.

Определить среднюю скорость движения, м/с

   ,                      (2.6)

где S – площадь сечения трубы, м2.

Определить число Рейнольдса

   .            (2.7)

Результаты опытов и расчетов внести в табл.2.2.

Таблица 2.2

Наименование параметра	Опыт 1	Опыт 2	Опыт 3
Объем жидкости в мерном баке W, м3
Время наполнения , с
Расход воды в трубе Q, м3/с
Средняя скорость движения , м/с
Число Рейнольдса  Re
Режим движения

Контрольные  вопросы

1.  Ламинарный режим движения, его особенности.
2.  Турбулентный режим движения, его особенности.
3.  Число Рейнольдса для цилиндрических труб и для потоков с некруглым сечением.
4.  Значение режима движения для расчета трубопроводов.
5.  Причины разрушения ламинарного режима.

Список основных источников: [1, с.62-65; 2, с.65-67; 3, с.38-41].

Лабораторная работа № 3

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

БАЛАНСЫ ПОТОКА

Цель работы – освоение техники экспериментального определения гидродинамических характеристик потока, а также получение наглядного представления о том, как закон сохранения энергии определяет взаимосвязь параметров потока; усвоение роли скорости течения жидкости на изменение величины потерь напора.

Материальный баланс  установившегося потока описывается уравнением расхода

 ;        ,          (2.8)

где Q – объемный расход жидкости, м3/с;  – средняя скорость потока в сечении, м/с; М – массовый расход жидкости, г/с;   – плотность жидкости, кг/м3; S – площадь сечения потока, м2.

Для трубопровода с переменным сечением материальный баланс потока описывается уравнением неразрывности

             (2.9)

или

 , если   = const.        (2.10)

Энергетический баланс потока идеальной жидкости характеризуется уравнением Бернулли

.           (2.11)

Для двух произвольных сечений

,      (2.12)

где Н – гидродинамический напор, или полная удельная энергия, приходящаяся на единицу веса жидкости, М столба перекачиваемой жидкости; z – геометрический напор, м;  z + p/(g) – пьезометрический напор (удельная потенциальная энергия потока жидкости), м; 2/(2g) – скоростной напор (удельная кинетическая энергия потока жидкости), м.

Реальная жидкость вследствие вязкости испытывает сопротивление при движении, и удельная энергия не может сохраняться неизменной вдоль потока. В этом случае в уравнение Бернулли вводится поправка на потери напора (hпот) при переходе от некоторого сечения потока к сечению, расположенному ниже по течению:

.          (2.13)

Потери напора (потери энергии), затрачиваемого на преодоление сопротивлений при движении жидкости слагаются из 2-х видов потерь

   ,                     (2.14)

где hв – потери на трение (линейные потери), м; hм.с. – местные потери из-за резкого изменения конфигурации потока, м.

Из уравнения Бернулли следует, что все составляющие полного напора равноправны в создании напора. При изменении сечения трубопровода происходит превращение энергии.

Величина напора определяет затраты энергии на перемещение жидкости, а по ним подбирается мощность насоса.

Описание  установки

Работа состоит из 3-х частей. Все три части работы выполняют на одной установке – стенде «Бернулли» (рис.2.4), состоящем из трубопровода переменного сечения, имеющего по своей длине ряд пьезометров (118), снабженного вентилем для регулирования расхода жидкости, напорным и одновременно приемным баком с вмонтированным в него мерным баком с распределительной воронкой, индукционным расходомером. Все пьезометры выведены на единый пьезометрический щит с произвольной плоскостью сравнения.

Основные обозначения и геометрические

параметры трубопровода:

I – сужение трубопровода; VII – резкий поворот;

II – внезапное расширение; VIII – плавный поворот;

III – резкое сужение; IX – фланцевое соединение;

IV – диффузор; 1-18 – пьезометры; V – конфузор; 19 – напорный бак; VI – расширение трубопровода; 20 – расходомер индукционный ИР-51.

Длины линейных участков трубопровода:

l1 = 0,695 м;   l2 = 0,515 м;    l3 = 0,99 м;    l4 = 5,75 м.

Диаметры трубопроводов:

d1 = 0,033 м;   d2 = 0,028 м;   d3 = 0,070 м.

Часть I. Построение диаграммы уравнения Бернулли

Цель работы – получить наглядное представление о законе сохранения энергии в потоке и превращении ее.

Теоретическая часть.  Так как все члены уравнения Бернулли имеют размерность длины, то зависимость между членами уравнения наглядно изображается графически.

Для построения диаграммы уравнения Бернулли от произвольно выбранной плоскости сравнения 0-0 (рис.2.5) откладываем вверх над схемой трубопровода в рекомендуемом масштабе 1:10 в направлении каждого пьезометра 1-18 ординаты z + p/(g) и, соединяя концы отрезков, изображающих пьезометрические напоры, получаем линию П-П, называемую пьезометрической линией, т.е. расстояние от плоскости сравнения до пьезометрической линии указывает в каждом сечении значение пьезометрического напора z + p/(g), т.е. значение удельной потенциальной энергии. Откладывая далее вверх от пьезометрической линии значения скоростного напора 2/(2g), соответственно скорости в каждом сечении трубы, получаем линию гидродинамического напора (линию энергии) Е-Е, расстояние от которой по плоскости сравнения 0-0 дает значение гидродинамического напора (полной удельной энергии) в соответствующих сечениях трубы, т.е.

  .                        (2.15)

Для практического использования уравнения (2.13) необходимо уметь определять значения всех входящих в него величин. Целесообразно производить отсчет z до центра тяжести выбранного живого сечения. При этом и давление необходимо определять в центре тяжести этого сечения. Оба давления в левой и правой частях можно брать абсолютными, либо избыточными.

Методика проведения работы

1.  Изучить схему установки.
2.  Установить в трубе заданный расход жидкости по указанию преподавателя, измерив его при помощи индукционного расходомера или мерного бака, данные занести в табл.2.3.
3.  Измерить пьезометрические напоры в пьезометрах с 1-го по 18-й и занести данные в табл.2.3.

Таблица 2.3.

Опыт	Номер  пьезометра	Расходомер
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	B, %
1
2

Рис.2.5. Схема трубопровода с сопротивлениями: I – сужение

трубопровода; II – внезапное расширение;  III – резкое сужение;

IV – диффузор; V – конфузор; VI – расширение трубопровода;

VII – резкий поворот; VIII – плавный поворот;

 IX – фланцевое  соединение.

Все измерения повторить при другом расходе жидкости в трубе и записать в табл.2.3.

Обработка результатов эксперимента

1.  Определить расход жидкости Q, м3/c (определяется с помощью мерного бака или индукционного расходомера)

   ,  ,         (2.16)

где W – объем мерного бака, равный 1110-3, м3;   – время заполнения мерного бака, с; 4,6 – расход индукционного расходомера при показаниях шкалы 100 %, м3/ч; В – показание индукционного расходомера, %.

1.  По известным размерам трубы и измеренному расходу жидкости вычислить скоростные напоры в сечениях потока, в которых измеряются пьезометрические напоры для первого и второго опытов.

   ;   ,        (2.17)

1.  Результаты расчетов сведем в табл.2.4.

Таблица 2.4

d, м	0,033	0,028	0,070
, м/с
hск, м

1.  по результатам измерений и вычислений построить пьезометрические и напорные линии диаграммы уравнения Бернулли для первого и второго опытов над схемой трубопровода, как показано на рис.2.5. Рекомендованный масштаб 1:10.

Контрольные вопросы

1.  Уравнение Бернулли для установившегося потока несжимаемой жидкости.
2.  Геометрический и энергетический смысл уравнения Бернулли.
3.  Уравнение неразрывности для потока.
4.  Построение пьезометрической и напорной линий, графическое определение потери напора.

Список основных источников:  [1, с.36-47].

Часть II. ОПРЕДЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ

НА ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ УЧАСТКАХ

ТРУБОПРОВОДА

Цель работы – определить опытным путем коэффициенты гидравлического трения на прямолинейных участках трубопровода и сравнить найденное значение с результатами расчета по эмпирическим формулам; оценить на основе эксперимента влияния числа Рейнольдса и шероховатости на коэффициент гидравлического трения.

Теоретическая часть.  К потере энергии по длине относится часть энергии потока, расходуемая на преодоление трения в прямолинейных участках труб. Эта энергия переходит в теплоту и безвозвратно теряется потоком. Потери на трение имеют место по всей длине трубопровода и зависят от режима течения потока, увеличиваясь с возрастанием турбулентности.

Потеря напора на преодоление трения при движении (при любом режиме) потока рассчитывается по уравнению Дарси-Вейсбаха:

   ,          (2.18)

где  - коэффициент гидравлического трения.

При ламинарном течении в прямой трубе

   .           (2.19)

При турбулентном режиме  зависит от режима движения и шероховатости трубы и рассчитывается по эмпирическим формулам в зависимости от величины комплекса Uж/ , где  - эквивалентная шероховатость; Uж – динамическая скорость;  - кинематический коэффициент вязкости.

,

где J – гидравлический уклон.

,

где hl – потери напора на данном участке трубопровода, м;  l – длина участка трубопровода, м.

  –  трубы гидравлически гладкие,  рассчитывается по формуле Прандтля-Кармана или Базиуса

   ;                   (2.20)

  .             (2.21)

 –    область влияния вязкости и шероховатости. Коэффициент  гидравлического трения рассчитывают по формуле Френкеля

  .            (2.22)

  –    трубы шероховатые,    рассчитывают  по  формуле Никурадзе

 .             (2.23)

Описание установки

Коэффициент гидравлического трения определяют на основе данных опытов 1 и 2, полученных в I части лабораторной работы (табл.2.3 и 2.4). Для работы берут прямолинейные участки трубопровода, находящиеся между показаниями пьезометров 7-8, 11-12, 13-14, 17-18.

Обработка результатов эксперимента

1.  Определить потери напора на участках трубопровода, используя показания пьезометров 7-8, 11-12, 13-14 и 17-18, отдельно для первого и второго опытов

,   при z1 = z2      и     .

Здесь индекс «1» обозначает соответствующий напор до, а индекс «2» после рассматриваемого участка трубопровода.

1.  Из формулы Дарси-Вейсбаха (2.18) определяем коэффициенты гидравлического трения, т.е.

  =

для каждого участка трубопровода l1, l2, l3, l4  для 1 и 2 опытов.

1.  Оцениваем режим течения жидкости для каждого участка трубопровода 1 и 2 опытов, вычисляя число Re по формуле .
2.  Вычисляем значение  , где  – эквивалентная шероховатость (для нержавеющих труб  = 0,15103 м);  – коэффициент кинематической вязкости, м2/с (см. приложение А).
3.  В зависимости от величины  выбрать одну из формул (2.19-2.23) для расчета коэффициента гидравлического трения .
4.  Сравнить опытные и расчетные коэффициенты гидравлического трения.

Результаты вычислений занести в табл.2.5.

Таблица 2.5

l , м	d, м	Опыт	, м	, м	hпот, м	, м	оп	расч	Re
0,695	0,028	1
		2
0,515	0,028	1
		2
0,99	0,033	1
		2
5,75	0,033	1
		2

Контрольные вопросы

1.  Уравнение Бернулли при расчете потерь на прямолинейных участках трубопровода.
2.  Гидравлически гладкие трубы, область влияния вязкости и шероховатости, гидравлически шероховатые трубы.
3.  Зависимость коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса при ламинарном и турбулентном режимах.

Список основных источников:  [1, с.48-50, 72-73, 82-91;  2, с.71-72, 80-84;  3, с.103-107].

Часть III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

МЕСТНОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ

Цель работы  –  экспериментально определить коэффициент местных гидравлических сопротивлений и сравнить полученные результаты с приведенными в справочной литературе.

Теоретическая часть.   Любое изменение сечения потока или направления движения является местным сопротивлением. В местном сопротивлении нарушается равномерное движение жидкости, ее скорость изменяется  по величине и направлению. Местным сопротивлением является вход жидкости в трубу, резкое расширение и сужение трубопровода, диффузор, конфузор, повороты, вентили, клапаны и т.д.

Вейсбах предложил вычислять потери напора в местных сопротивлениях по формуле

 ,                  (2.24)

где м.с.- коэффициент местного сопротивления.

В квадратичной области сопротивления м.с. зависит только от геометрической формы участка трубопровода, т.е. от вида местного сопротивления, а в доквадратичной области сопротивления или в случае ламинарного режима движения жидкости в трубах – от числа Рейнольдса и вида местного сопротивления. Экспериментальные значения м.с. приводятся в справочной литературе.

Описание установки

Коэффициенты местных гидравлических сопротивлений определяют на основе измерения для первого и второго опытов в 1 части работы:

1 – сужение трубопровода,  d1-d2 ,  пьезометры 1-2;

2 – внезапное расширение,  d2-d3 ,  пьезометры 4-5;

3 – резкое сужение,  d3-d2 ,  пьезометры 6-7;

4 – диффузор, d2-d3 ,  пьезометры 8-9;

5 – конфузор,  d3-d2 ,  пьезометры 10-11;

6 – расширение трубы,  d2-d1 ,  пьезометры 12-13;

7 – резкий поворот,  d1-d1 , пьезометры 14-15;

8 – плавный поворот,  d1-d1 , пьезометры 15-16;

9 – фланцевое соединение,  d1-d1 , пьезометры 16-17, причем  d1 = 0,033 м; d2 = 0,028 м ;  d3 = 0,070 м.

Обработка результатов эксперимента

1.  Определить потери напора для участков местных сопротивлений с 1 по 10, используя показания пьезометров 1-2, 4-5, 6-7, 8-9, 10-11, 12-13, 14-15, 15-16, 16-17 из табл.2.3 и 2.4 для первого и второго опытов.

Потери напора определяются из уравнения Бернулли (2.13)

   ,

где z + – пьезометрические напоры до рассматриваемого местного сопротивления и после него соответственно.

1.  Рассчитать коэффициенты местных сопротивлений по формуле Дарси-Вейсбаха (2.18)

,

где   – скоростной напор, соответствующий средней скорости за рассматриваемым местным сопротивлением.

1.  Справочные величины и расчетные результаты заносят в табл.2.6.

Таблица 2.6

Местные сопротивления	Опыт	1	2	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	,м	,м	hм.с, м	оп
1. Сужение трубы d1-d2	1
	2
2. Внезапное расширение d2-d3	1
	2
3. Резкое сужение d3-d2	1
	2
4. Диффузор d2-d3	1
	2
5. Конфузор d3-d2	1
	2
6. Расширение d2-d1	1
	2
7. Резкий поворот d1-d1	1
	2
8. Плавный поворот d1-d1	1
	2
9. Фланец         d1-d1	1
	2

Примечание.  В табл.2.6  – скоростной напор, вычисленный по средней скорости до рассматриваемого местного сопротивления;  – скоростной напор, средней скорости после соответствующего рассматриваемого местного сопротивления.

Контрольные вопросы

1.  Уравнение Бернулли и его применение к расчету потерь напора в трубопроводе.
2.  Понятие о местном сопротивлении. Коэффициент местного гидравлического сопротивления. Формула Вейсбаха.

Список основных источников:  [1, с.93-105; 2, с.85-87; 3, с.106-107].

Лабораторная работа № 4

ТАРИРОВКА МЕРНОЙ ДИАФРАГМЫ

Цель работы – ознакомиться с различными способами измерения расхода жидкости в трубопроводах d > 50 мм. Протарировать расходомер типа мерной диафрагмы на трубопроводе d = 51 мм при помощи ротационного газового счетчика и построить тарировочную кривую расходомера Q = f1 (hм).

Определить зависимость коэффициента расхода мерной диафрагмы от числа Рейнольдса и построить график зависимости р = f2 (Re).

 Теоретическая часть.   Проработать из данного пособия соответствующий раздел  (способы измерения расхода).

Описание установки

Установка для измерения расхода воздуха по перепаду статических напоров представлена на рис.2.6.

На всасывающей линии водокольцевого вакуум-насоса располагается мерная диафрагма 2 и газовый счетчик 3. Расход воздуха регулируется при помощи вентиля 4. При переходе через сужение в мерной диафрагме увеличивается средняя скорость воздуха и соответственно уменьшается давление в потоке. Между сечениями 1 и 2 возникает перепад давления р, фиксируемый дифференциальным манометром 1. Величина перепада зависит от расхода воздуха.

Расход жидкости в трубопроводе определяется формулой

  ,                 (2.25)

где р – поправочный коэффициент (р < 1), учитывающий сужение струй за диафрагмой и наличие потерь напора; м – плотность рабочей жидкости в дифференциальном манометре, кг/м3;  - плотность жидкости в трубопроводе, кг/м3 (1,29 кг/м3).

Методика проведения работы

1.  Проверить надежность крепления опорным винтом корпуса балансирного электродвигателя установки.
2.  Открыть вентиль на трубе, подводящей воду в сальники и корпус водокольцевого вакуум-насоса КВН-8.
3.  Пустить насос пусковой кнопкой управления электродвигателем.
4.  Установить предельные расходы (наибольший и наименьший) с помощью вентиля на всасывающей линии при максимальном и минимальном его открытии.
5.  Замерить показания дифференциального манометра hmax и hmin , соответствующие предельным расходам, и определить значения hmax и hmin .
6.  Разбить весь интервал значения между и   на (5 или 10) равных участков, так как .
7.  Установить последовательно полученные выше значения на дифманометре, регулируя расход воздуха вентилем, и определить соответствующие расходы воздуха с помощью газового счетчика и секундомера.
8.  Подсчитать по заданным геометрическим размерам мерной диафрагмы постоянную расходомера С и теоретический расход воздуха Qт.
9.  Определить коэффициент расхода р мерной диафрагмы и соответствующие числа Рейнольдса для каждого опыта.
10.  Построить по данным опыта и расчета графики следующих зависимостей:  Qоп = f1(hм)  и  р = f2(Re).

Все опытные и расчетные данные свести в табл.2.8.

Таблица 2.8

i	h, мм	Qоп, м3/с	W, м3	, с	Qт, м3/с	р	Re	lgh	lgQт

Обработка результатов эксперимента

1.  Показание дифференциального манометра hi , соответствующее определенному режиму

   ,

где hmin и hmax – показания дифференциального манометра, мм; i – порядковый номер замера (i = 1, 2, 3 … ); n – число участков разбивки.

1.  Постоянная прибора

  ,                      (2.26)

где м – плотность манометрической жидкости, кг/м3;  - плотность воздуха, кг/м3; S1 и S2 – площади соответствующих поперечных сечений трубы и мерной диафрагмы, м2 (d1 = 51 мм,  d2 = 20 мм).

1.  Теоретический расход воздуха

  ,          (2.27)

где hi – показание дифференциального манометра, м.

1.  Действительный расход по газовому счетчику

   ,    (2.28)

где W – объем воздуха по счетчику, м3;  – время, с.

1.  Коэффициент расхода мерной диафрагмы

   .          (2.29)

1.  Средняя скорость воздуха в трубопроводе

   .           (2.30)

1.  Число Рейнольдса

   ,          (2.31)

где  - динамический коэффициент вязкости воздуха при данной температуре (определяется по таблицам и графикам), Пас.

Примечание.   Если тарирование производиться в квадратичной зоне, где р = const, то результат опытов удобно представить в виде графика зависимости расхода Qоп от показаний hi дифманометра расходомера в логарифмических координатах, который в квадратичной зоне выражается прямой линией.

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТА РАСХОДА

МЕРНОЙ ДИАФРАГМЫ

Ошибки при измерении параметров связаны с точностью проведения отсчётов. Величины, полученные в процессе эксперимента, определяются, как правило, однократно и для них известны только максимальные погрешности одиночного измерения. В ряде случаев погрешность измерений обуславливается не их случайными ошибками, а погрешностью измерительного прибора, т.е. классом точности прибора. Именно последний определяет максимально возможное расхождение между измеренным и истинным значениями интересующей нас величины.

Среднеквадратичная абсолютная ошибка при измерении величины вычисляется по формуле

  ,  (2.32)

где xi – абсолютная ошибка измерений соответствующего параметра, которая принимается равной половине цены деления измерительного прибора.

Тогда среднеквадратичная относительная погрешность функции может быть найдена по следующей формуле

   ,   (2.33)

Относительная погрешность коэффициента расхода мерной диафрагмы в нашем случае рассчитывается по формуле

    .           (2.34)

Так как объем газа определяется газовым счетчиком с точностью до 1 %, а постоянная прибора С принимается с точностью до 0,5 %, относительная погрешность определения коэффициента расхода равна

,(2.35)

где  W/W = 0,01;     С/С = 0,005;    (h),     – абсолютные погрешности при измерении перепада давления и времени замера объема воздуха, которые принимаются равными половине цены деления соответствующего прибора.

Примечание.   Относительная погрешность коэффициента расхода определяется для одного из опытов.

Контрольные вопросы

1.  Принципы измерения скорости и расхода жидкости при помощи дроссельных приборов и пневмометрических трубок.
2.  Конструкции дроссельных приборов: мерной диафрагмы, мерного сопла, трубы Вентури.

Список основных источников:  [1, с.52-55;  2, с.137-141;            3, с. 112-114].

Лабораторная работа № 5

ИСПЫТАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНО-ВИХРЕВОГО

НАСОСА

Цель работы – экспериментальным путем получить характеристики центробежно-вихревого насоса.

Теоретическая часть.  Насос – это гидравлическая машина, которая сообщает протекающей через него жидкости механическую энергию. Основные параметры, характеризующие работу насоса: напор Н, подача или производительность Q, полезная мощность N и мощность на валу насоса Nl , коэффициент полезного действия .

Величины, характеризующие работу насоса при постоянном числе оборотов, обычно представляют в виде графических зависимостей Н = f1(Q); N = f2(Q);  = f3(Q). Такие зависимости называют характеристиками насоса и определяют опытным путем в результате испытаний насоса при постоянном числе оборотов и изменяющейся производительности. Режим работы, соответствующий наибольшему коэффициенту полезного действия, называют оптимальным.

Подача определяется с помощью мерного бака или расходомера.

Напор, создаваемый насосом, измеряется манометром и вакуумметром с учетом скоростных напоров во всасывающем и нагнетательном трубопроводах и определяется выражением

  ,              (2.36)

где рм – показание манометра, Па;  рв – показание вакуумметра, Па;  z – поправка на высоту установки манометра, м;  н – скорость в нагнетательном трубопроводе, м/с;  вс – скорость во всасывающем трубопроводе, м/с.

Так как каждая единица веса жидкости, прошедшая через насос, приобретает энергию Н, а за единицу времени через насос пройдет gQ единиц веса жидкости, то энергия, приобретенная за единицу времени потоком или полезная мощность насоса будет равна, кВт.

   ,          (2.37)

Мощность насоса на валу Nl больше полезной на величину потерь мощности в насосе. Эти потери оцениваются коэффициентом полезного действия насоса 

   ,          (2.38)

где Nl  определяется по работе электросчетчика.

При правильной эксплуатации насоса необходимо знать, как изменяются напор, КПД. и мощность, потребляемая насосом, при изменении его подачи, т.е. знать характеристики насоса. Для определения режима работы насоса на данный трубопровод следует совместить на одном графике характеристики сети и насоса. Точка пересечения этих характеристик называется рабочей точкой и отвечает наибольшей производительности насоса при его работе на данную сеть.

Описание установки

Установка (рис.2.7) состоит из центробежно-вихревого насоса 1  СЦВ-1,5; электродвигателя 2; всасывающего трубопровода, снабженного вакуумметром 3, напорного трубопровода, снабженного манометром 4 и регулирующим краном 5, мерного бака 6 и приемного бака 7.

Насос 1 подает жидкость по всасывающему и нагнетательному трубопроводам через регулирующий кран 5 из бака 7 в мерный бак 6. Мерный бак 6 имеет кран 9, который закрывается при определении объема жидкости и открывается при сливе жидкости в приемный бак 7.

На рис.2.8 представлен вихревой насос. Жидкость в насос поступает через входной патрубок 5 в канал 2, перемещается по нему рабочим колесом 1 и уходит в напорный патрубок 3. Канал перекрывается перемычкой 4, служащей уплотнением между напорной и входной плоскостями. Движение во входном участке канала насоса сложное, так как движение жидкости из входного патрубка в канал накладывается продольный вихрь. Это приводит к интенсивному вихреобразованию и, следовательно, к значительным потерям энергии. На рабочее колесо жидкость поступает на большом радиусе, при больших окружных и относительных скоростях, поэтому кавитационные качества таких насосов очень низкие. Для улучшения кавитационных качеств насоса перед рабочим колесом подключают центробежную ступень. Такой насос называется центробежно-вихревым.

Напор центробежно-вихревого насоса в 3-9 раз больше, чем центробежного, при тех же размерах и частоте вращения. Недостатком таких насосов является низкий КПД.

Методика проведения работы

Для получения характеристик центробежно-вихревого насоса при постоянном числе оборотов проводят не менее 5 опытов. Регулирующим краном 5 устанавливают несколько значений давления в магистрали, контролируемых по манометру 4.

1.  Включить насос, нажав пусковую кнопку 8 на корпусе электродвигателя.
2.  При включенном насосе с помощью регулирующего крана 5 установить одно из значений давления в магистрали.
3.  Закрыть кран 9.
4.  Для данного давления замерить время  наполнения бака 6 объемом W (метки внутри бака 6).
5.  Открыть кран 9.
6.  Снять показания манометра 4 и вакуумметра 3.
7.  Замерить время t вращения n оборотов диска счетчика 10.
8.  Опыты повторить при различных давлениях не менее 5 раз и результаты занести в табл.2.9.
9.  Выключить электродвигатель.

Таблица 2.9

Номер опыта	рм , Па	рв , Па	W, л	, с	n, обор. диска	t, с	, с-1

Обработка результатов эксперимента

Величины, необходимые для построения характеристик, рассчитать по следующим формулам.

1.  Подача насоса Q,  м3/с

.

1.  Напор, развиваемый насосом Н, м, рассчитать по формуле (2.36). dвс = 0,025 м;  dн = 0,020 м;  z – расстояние по вертикали между точками подсоединения манометра и горизонтальной осью всасывающего трубопровода, z = 0,3 м.
2.  Полезная мощность, сообщенная насосом потоку жидкости, рассчитывается по формуле (2.38).
3.  Мощность на валу насоса Nl , кВт

   ,          (2.39)

где эл – КПД электропередачи, равный 0,95;    - частота вращения диска счетчика, с-1 (1200 – число оборотов счетчика соответствует 1 кВтч).

1.  Коэффициент полезного действия насоса рассчитывается по формуле (2.45).

Расчетные данные занести в табл.2.9.

Таблица 2.9

Номер опыта	Q, м3/с	Н, м	N, кВт	, %

По данным табл.2.9 строят характеристики насоса. По оси абсцисс откладывают производительность насоса, по оси ординат – в соответствующих масштабах напор, мощность и КПД. Графики построить на миллиметровой бумаге в масштабе с обязательным нанесением всех точек.

Контрольные вопросы

1.  Устройство и принцип действия лопастных насосов.
2.  Основные параметры (производительность, напор, мощность и КПД насоса).
3.  Основное уравнение центробежных машин (уравнение Эйлера).
4.  Рабочие характеристики лопастных насосов.
5.  Регулирование производительности и эксплуатация насосов.
6.  Сравнительная оценка лопастных насосов. Подобие насосов. Закон пропорциональности.
7.  Как определить напор действующего насоса.

Список основных источников:  [1, с.158-172, 175-178, 184-190;  3, с.162-166, 176-189;  4, с.27-36, 72-80, 93-106;  5, с.24-37,131-136, 152-154, 169-178].

Лабораторная работа № 6

ИСПЫТАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО

ВЕНТИЛЯТОРА

Цель работы – приобретение навыков экспериментального определения характеристик вентилятора.

Теоретическая часть.  Вентилятор – центробежная машина, предназначенная для перемещения газов. Центробежные вентиляторы условно делятся на вентиляторы низкого давления (р < 103, Па), среднего давления (р = 103  3103, Па) и высокого давления (р = 3103  104, Па ).

В спиралеобразном корпусе 2 вентилятора (рис.2.9) вращается рабочее колесо (барабан) 1 с большим числом лопаток. Отношение ширины лопатки к ее длине зависит от развиваемого давления и является наименьшим для вентиляторов высокого давления. Газ поступает по оси вентилятора через патрубок 3 и удаляется из корпуса через нагнетательный патрубок 4. Форму и размеры корпуса вентилятора, рабочего колеса, лопаток и патрубков выбирают такими, чтобы гидравлические потери были наименьшими. Рабочие колеса вентиляторов низкого давления имеют лопатки, загнутые назад. У некоторых типов вентиляторов высокого давления лопатки загнуты вперед для создания большего напора.

Характеристики вентиляторов служат для исследования их работы в различных условиях и для подбора вентиляторов при проектировании вентиляционных установок.

Рабочий режим устанавливается по точке пересечения характеристики вентилятора с характеристикой сети. Совмещение характеристики сети и вентилятора дает рабочую точку; она отвечает наибольшей производительности вентилятора при его работе на данную сеть.

Рабочими характеристиками вентилятора называются функциональные зависимости Н = f1(Q),  N = f2(Q),   = f3(Q), полученные при постоянном числе оборотов рабочего колеса.

Объемная подача вентилятора Q,  м3/с, определяется объемом воздуха, подаваемого вентилятором в нагнетательный патрубок в единицу времени.

Напор Н, м, характеризует удельную энергию, которая сообщается вентилятором единице веса перемещаемого воздуха.

Полезная мощность N, Вт, затрачиваемая вентилятором на сообщение воздуху энергии давления, равна

  ,       (2.40)

где в – плотность подаваемого вентилятором воздуха, кг/м3;  g – ускорение свободного падения,  g = 9,81 м/с2;  Q – объемная подача вентилятора, м3/с;  Н1 – полный напор в м столба перекачиваемого воздуха;  р – полное давление, создаваемое вентилятором, Па, равно разности полных давлений на нагнетающей и всасывающей сторонах воздушного тракта.

Мощность Nl, Вт, привода вентилятора

   ,           (2.41)

где  - КПД вентилятора, равный 0,5  0,95 в зависимости от типа и объемной подачи вентилятора.

Описание установки

Установка (рис.2.10) состоит из центробежного вентилятора 1, смонтированного на одном валу с электродвигателем 2. К вентилятору присоединены трубы: всасывающая 11 и нагнетательная 3 одинакового диаметра (d = 0,150 м). В выходном отверстии нагнетательной трубы можно устанавливать диафрагмы разного сечения, позволяющие изменять площадь выходного отверстия и, следовательно, изменять сопротивление нагнетательного трубопровода.

При испытании вентилятора замеряют объемную подачу, развиваемый напор и потребляемую мощность.

Объемную подачу и напор замеряют с помощью скоростной пневмометрической трубк Пито-Прандтля (рис.2.11), мощность – электросчетчиком (см. раздел 1, измерение скорости в потоках).

Методика проведения работы

Включить вентилятор, нажав пусковую кнопку 7. На выходе из нагнетательного трубопровода или на входе во всасывающий трубопровод установить последовательно диафрагмы (рис.2.10), которые, дросселируя поток воздуха, изменяют режим работы установки. Можно дросселировать вход.

Для каждого режима работы установки необходимо записать показания U-образных дифманометров, фиксирующих полный Н и скоростной h напоры вентилятора.

С помощью секундомера определить частоту вращения диска электросчетчика , с-1.

Все измерения надо выполнять «на ходу», не выключая вентилятор при замене диафрагм. Все замеры необходимо провести не менее чем для семи режимов работы вентилятора (шесть диафрагм и без диафрагмы).

Результаты измерений занести в табл.2.10.

Таблица 2.10

Номер диафрагмы (опыта)	Н, м	h, м	n, оборотов диска эл. счетчика	, с	, с-1

Обработка результатов эксперимента

1.  Объемную подачу вентилятора Q, м3/с, рассчитывают по формуле

   ,           (2.42)

где  - средняя скорость движения воздуха в трубопроводе, м/с,

   .          (2.43)

Здесь  = 1000 кг/м3 – плотность воды, заполняющей дифманометры; 0 = 1,29 кг/м3 – плотность воздуха при нормальных условиях; h – скоростной напор, м;  g – ускорение свободного падения, м/с2; S – площадь сечения воздуходува, м2 (диаметр воздуходува равен 0,15 м).

1.  Мощность, затрачиваемую вентилятором, т.е. мощность электродвигателя, вычисляют по формуле

   ,       (2.44)

где  - частота вращения диска счетчика, с-1; эл – КПД электродвигателя, эл = 0,95 (450 – число оборотов счетчика соответствует 1 кВтч).

1.  Полезную мощность, т.е. мощность, сообщенную потоку воздуха, определяют из уравнения

   ,           (2.45)

где Q – объемная подача вентилятора, м3/с;  Н – полный напор, м;  - плотность воды, кг/м3.

Необходимо помнить, что .

1.  Коэффициент полезного действия , %, вентилятора находят по формуле

  .           (2.46)

Результаты расчетов заносят в табл.2.11.

Таблица 2.11

Номер опыта	Н, м	N, кВт	Q, м3/c	, %

По экспериментальным данным построить характеристики центробежного вентилятора. По оси абсцисс откладывают объемную подачу, по оси ординат – напор, полезную мощность и КПД. Графики строятся на миллиметровой бумаге с обязательным нанесением расчетных точек.

Контрольные вопросы

1.  Основное уравнение центробежных машин (уравнение Эйлера).
2.  Устройство центробежного вентилятора. Роль «улитки», конфузора, диффузора.
3.  Рабочие характеристики вентиляторов. Рабочая точка.
4.  Мощность двигателя и КПД вентиляторной установки.
5.  Зависимость режима работы вентилятора от числа оборотов.

Список основных источников:  [1, с.158-162, 175-194;                     3,  с.178-185;   4, с.184-194;   5, с.131-178].

Лабораторная работа № 7

ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА НАСОСОВ

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ

Цель работы – определение основных параметров насосов по геометрическим размерам и заданному числу оборотов рабочего элемента.

Теоретическая часть.   Насосы делятся на лопастные (или динамические) и объемные (или статические). В первых жидкость разгоняется до больших скоростей, а затем скоростной напор специальными устройствами переводится в напор давления. В объемных насосах перемещение жидкости осуществляется специальными вытеснителями или переносится малыми объемами в геометрических ячейках. Таким образом, лопастные насосы перекачивают большое количество жидкости при небольшом напоре, о объемные – наоборот.

Лопастные насосы

При движении лопасти в жидкости возникает подъемная сила, для преодоления которой необходимо приложить механическую энергию. Основным элементом лопастного насоса является рабочее колесо с изогнутыми или радиальными лопастями. Рабочее колесо получает вращение от электродвигателя, лопасти колеса сообщают жидкости энергию, заставляя перемещаться ее от центра к периферии (в центробежном и вихревом насосах) или вдоль оси вращения ротора (в полуосевом и осевом насосах). Сходящая с рабочего колеса жидкость попадает в направляющий аппарат, который в центробежном насосе представляет собой спиральную плавно расширяющуюся камеру или неподвижную лопастную систему. Направляющий аппарат служит для преобразования скоростного напора в пьезометрический. У осевого насоса направляющий аппарат – это лопастная система, устраняющая закрутку потока жидкости, возникающую при воздействии на него рабочего колеса.

Лопастные насосы делятся на центробежные, вихревые, полуосевые (диагональные), осевые и центробежно-вихревые.

Центробежные насосы

Теоретическую подачу центробежного насоса Qт , м3/c, определяют по формуле

   ; , (2.47)

где D2 – диаметр рабочего колеса, м;  b2 – ширина лопасти на выходе из рабочего колеса, м;  с2r – радиальная составляющая абсолютной скорости, м/с;   - угол наклона лопасти на выходе, град;  U2 – окружная скорость на входе, м/с.

Напор центробежного насоса можно вычислить по приближенной формуле

  ,         (2.48)

где  - коэффициент напора, равный для одноступенчатого насоса 0,9  1,1, зависит от рода направляющего аппарата;  U2 – окружная скорость на выходе из рабочего колеса, м/с.

  ,           (2.49)

где D2 – наружный диаметр рабочего колеса, м, n – частота вращения колеса в минуту.

Вихревые насосы

Напор вихревого насоса Н, м, рассчитывают по формуле

  ,           (2.50)

где  - коэффициент напоров закрытого типа, равный 3,5  4,5;                     U2 – окружная скорость рабочего колеса, м/с;

  ,           (2.51)

где D2 – диаметр колеса, м;  n – частота вращения его в секунду.

Объемные насосы

В объемных гидравлических машинах передача механической энергии осуществляется изменением объемов их рабочих камер.

Вытеснение (нагнетание) жидкости в объемных насосах происходит в результате уменьшения, а всасывание – увеличения объема рабочих камер. Напор насоса не зависит от производительности.

Поршневые насосы

Теоретическую подачу поршневого насоса Q, м3/с, простого действия определяют по формуле

   ,          (2.52)

а насоса двойного действия   

  ,          (2.53)

где   – площадь сечения поршня, м2;  D – его диаметр, м; S – расстояние между правой и левой мертвыми точками (ход поршня), м; n – частота вращения кривошипа в минуту (число двойных ходов); f – площадь поперечного сечения штока поршня, м2.

Роторные насосы

Роторные насосы являются объемными насосами, действующими по принципу вытеснения, они преобразуют механическую энергию, подведенную к их приводному валу, а энергию перемещаемой жидкости при помощи специальных вытеснителей, совершающих вращательное движение. Роторные насосы выделяются в специальную группу, так как в отличие от поршневых, плунжерных, диафрагмовых и др. не имеют кривошипно-шатунного механизма. Их главный рабочий орган ротор, в котором движутся вытеснители, получает вращение от вала электродвигателя. Они обратимы, т.е. работают и как насосы и как гидродвигатели.

Шестеренные насосы

Шестеренные машины бывают с двумя или несколькими роторами, одно- и многоступенчатыми, с внешним и, реже, внутренним зацеплением.

Теоретическую подачу шестеренного насоса рассчитывают по формуле

или ,      (2.54)

где Dн – начальный диаметр шестерен, м;  z – число зубьев;  b – ширина шестерни, м;  n – частота вращения ведущего вала в минуту, мин-1; m – модуль зацепления;  к – коэффициент, учитывающий разницу между объемом впадин и расчетным кольцевым объемом, принимаем к  равным 1,10.

Начальный диаметр определяют как среднеарифметическое между диаметром зубьев и впадин. Для получения малогабаритных насосов необходимо делать шестерни с большим модулем и малым числом зубьев, однако при этом увеличивается пульсация подачи.

Роторно-пластинчатые (шиберные) насосы

Эти машины известны под названием «лопастные», что не соответствует принципу их действия. Роторно-пластинчатые машины бывают одно- и многократного действия, одно- и многоступенчатые, одинарные и сдвоенные, регулируемые и не регулируемые. Они, как правило, обратимы.

Теоретическую подачу пластинчатого насоса простого (однократного действия) определяют по формуле

  ,                   (2.55)

где е – эксцентриситет расстояния между осью ротора и статора или половина зазора между ними, м;  b – ширина ротора, м;  D – диаметр статора, м;   - толщина пластины шибера, м;  z – число пластин; n – частота вращения ротора, мин-1.

Для насоса двойного действия при расчете его объемной подачи применяют выражение

 ,  (2.56)

где b – ширина ротора, м;  Rб и Rм – соответственно большой и малый радиусы внутренней расточки статора, м;   - толщина лопасти, м;  z – число лопастей,  n – частота вращения ротора, мин-1;   - угол наклона паза к радиусу ротора, град.

Действительная подача любого насоса меньше теоретической

   ,                        (2.57)

где 0 – объемный КПД (0 = 0,90  0,95).

Водокольцевые насосы

Центробежные насосы перед пуском заливаются перекачиваемой жидкостью. Для откачивания воздуха из системы (насоса и всасывающего трубопровода) применяются вакуумные насосы с жидкостным кольцом. Серповидные окна обеспечивают изменение объема рабочих камер и создание нагнетания. Подобный принцип действия положен в основу работы роторно-пластинчатых насосов и компрессоров.

Объемную подачу кольцевого вакуум-насоса типа КВН определяют по формуле

,    (2.58)

где D1 и D2 – внешний и внутренний диаметры крыльчатки, м; а – минимальное погружение лопасти в водяное кольцо, м; z – число лопастей;  l – радиальная длина лопасти, м;  ;   – толщина лопасти, м;  b – ширина лопасти, м;  n – частота вращения ротора, мин-1; 0 – объемный КПД насоса (0 = 0,96).

Методика проведения работы

Насосы, указанные преподавателем, разбирают и изучают их конструкцию. Для каждого насоса делают эскизы не менее чем в трех проекциях. Виды и разрезы необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы максимально наглядно показать их конструкцию и элементы, размеры которых входят в расчетные формулы. После этого производят необходимые замеры, результаты которых сводят в таблицу произвольной формы.

Контрольные вопросы

1.  Устройство и принцип действия лопастных и объемных гидравлических машин. Их параметры.
2.  Конструктивные особенности центробежных, вихревых, поршневых, роторно-пластинчатых, шестеренных и водокольцевых гидромашин.
3.  Сравнение и области применения различных насосов.
4.  Регулирование насосов.

Список основных источников:  [1, с.162-167, 225-227, 275-284, 299-302, 308-315;  3, с.184-189;  4, с.151-166;  5, с.178-184].

Лабораторная работа № 8

НОРМАЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Цель работы – построить рабочую характеристику насоса, представляющую собой совокупность графических зависимостей напора, потребляемой мощности и коэффициента полезного действия насоса от его подачи при постоянной частоте вращения.

Для проведения работы используется центробежный насос консольного типа марки 2К-6 (2К 20/30)  (рис.2.12).

Теоретическая часть.

Подачей насоса (Q,  м3/с) называется объем жидкости, подаваемый насосом в нагнетательный трубопровод в единицу времени. Для измерения подачи стенд оборудован расходомерной диафрагмой 11, установленной на нагнетательном трубопроводе. Перепад давлений hрт на диафрагме определяется с помощью ртутного дифференциального манометра и выражается в м ртутного столба.

;  ; ,          (2.59)

где рт  и  в – плотности ртути и воды, кг/м3;  D – диаметр трубы (D = 0,051 м);   = 0,69 – коэффициент расхода диафрагмы, зависящей от d/D;  с – числовой коэффициент, подсчитанный при значениях d и D, т.е.

где hрт – показания ртутного дифманометра, м,  при d диафрагмы, 0,035 м.

 

По указанию преподавателя подача может быть определена при помощи индукционного расходомера ИР-61.

1.  Напором  насоса называется разность удельных энергий жидкости на выходе и входе насоса. За вход и выход насоса принимаются сечения соответственно на входе во всасывающий патрубок и на выходе из нагнетательного патрубка (рис.2.13)

.            (2.60)

Трубка, соединяющая манометр с трубопроводом, после ее проливки заполняется жидкостью. Поэтому манометр на нагнетательной линии 1 измеряет давление, отличное от давления в точке замера на значение hн . Введя поправку на положение манометра, получим избыточное давление после насоса, Па.

,

где Мн – показание манометра, Па.

При наличии на стороне всасывания вакуума давление рв перед насосом измеряется вакуумметром 2 (рис.2.13). поправка на положение вакуумметра не вводится, так как соединительная трубка при продувке заполняется воздухом. Учитывая, что вакуум является отрицательным избыточным давлением, получим избыточное давление перед насосом, Па

,

где В – показание вакуумметра, Па.

Учитывая, что hв = zн - zв + hн  –  разность уровней установки манометра и точки включения вакуумметра, получим

  .                (2.61)

Если в подводящем трубопроводе не вакуум, а избыточное давление, то

 ,

где Мв – показание манометра 3, установленного на подводящем трубопроводе насоса;  hвм – поправка на положение этого манометра.

Учитывая, что hм = zн - zв + hн - hвм   –    разность уровней установки манометров Мн и Мв, получим

,              (2.62)

где н  и в средние скорости напорном и во всасывающем трубопроводах насоса, определяемые из уравнения расхода

.

1.  Полезная мощность   насоса, кВт

   .               (2.63)

1.  Мощность на валу  насоса определяется измерением крутящего момента и числа оборотов. Измерение крутящего момента производится при помощи балансирного электродвигателя с уравновешивающим грузом на весах. Весы установлены для работы в сторону нагрузки.

Балансирный двигатель представляет собой обычный электродвигатель, его статор свободно подвешен на шарикоподшипниках, укрепленных на стойках. К статору прикреплен рычаг, образующий плечо. На конце рычага подвешен груз, который покоится на чашке измерительных весов.

Момент, передаваемый на вал насоса, равен произведению уравновешивающей силы Р на плечо рычага l.

Мощность на муфте двигателя, кВт

,            (2.64)

где Р = G - G1 , G1 = 0,087 кг – масса груза на чашке весов;  G – масса груза на чашке весов в режиме нагрузки, кг;   - угловая скорость вращения, рад/с;  n – частота вращения, мин-1;  Мр , Мст – крутящие моменты ротора и статора соответственно; l = 0,565 м.

1.  Коэффициент полезного действия насоса есть отношение полезной мощности к затраченной

  ,           (2.65)

1.  Число оборотов  насоса при испытаниях определяется при помощи строботахометра.

Перед построением характеристики (рис.2.14), полученные значения Q, Н и N необходимо привести к постоянному числу оборотов по формуле подобия

,    ;                   (2.66)

где значок «штрих» относится к постоянному числу оборотов, КПД насоса при пересчете полагают неизменным.

Описание установки

Насос 6 (рис.2.12) приводится в работу электродвигателем 7, статор которого особо подвешен на специальных опорах, подключен к  резервуару 19, обычно именуемому кавитационным баком. На подводящем трубопроводе у входного патрубка насоса установлены манометр 4 для нормальных испытаний насоса и вакуумметр 5 для кавитационных испытаний насоса.

На напорном трубопроводе размещены манометр 10, расходомер 11 с дифференциальным манометром 12 и регулировочная задвижка 13, расположенная за расходомером.

Мощность насоса определяется при помощи балансирного электродвигателя 7, частота вращения – строботахометром 9.

Через вентили 18 и 21 бак заполняется водой, через вентиль 20 вода может быть выпущена из бака в канализацию. Для наблюдения за уровнем служит водомерное стекло 22.

При испытании насоса необходимо иметь возможность перед входом в насос устанавливать любое давление. Для этого к баку 19 подключены водокольцевой вакуум-насос КВН-4 и воздушный компрессор.

Задвижка 2 на всасывающем трубопроводе используется только для отключения системы или во время ремонта. Регулирование подачи при помощи этого вентиля во избежание появления кавитации при нормальных испытаниях не допускается.

Методика проведения работы

Включение установки без разрешения преподавателя категорически запрещается.

Перед пуском установки необходимо проверить:

•  Надежность крепления стопорным винтом корпуса балансирного электродвигателя;
•  На ртутном дифманометре (рис.2.16) рабочие вентили 1, расположенные наклонно, и продувочные 2 – горизонтально с боков прибора, должны быть плотно закрыты во избежание выброса ртути при пуске установки;
•  Стопорная ручка весов должна быть установлена в положение «2».
  1.  Включить компрессор и в кавитационном баке установить избыточное давление 5-10 м вод. ст. по указанию преподавателя.
  2.  Включить насос пусковой кнопкой управления электродвигателем.
  3.  Дать поработать насосу некоторое время на максимальной подаче для того, чтобы удалить воздух из насоса и трубопровода и прогреть подшипники установки.
  4.  Включить строботахометр выключателем с надписью СЕТЬ, при этом должны загореться лампочки подсветки шкалы. Включить импульсную лампу следует только после 3-5 мин прогрева прибора выключателем с надписью ЛАМПА.
  5.  Пролить соединительные трубки манометров.
  6.  Пролить импульсные трубки дифманометра (рис.2.15). Импульсные трубки проливают поочередно. Для проливки, например, левой импульсной трубки закрывают правый рабочий вентиль, открывают уравнительный вентиль 3 (средний вентиль) и затем открывают левый продувочный вентиль. После проливки  левой трубки закрывают левый продувочный вентиль, левый рабочий, открывают правый рабочий вентиль и проливают правую трубку, для чего открывают правый продувочный вентиль.
  7.  Включить дифманометр в работу. Для этого открыть уравнительный вентиль и медленно открывать один из рабочих вентилей. Установленный на приборе пружинный манометр при этом покажет соответствующее открытому рабочему вентилю давление в рабочем трубопроводе. Затем открыть второй рабочий вентиль. При закрывании уравнительного вентиля надо все время наблюдать за уровнем ртути в трубках, с тем чтобы приостановить включение прибора, если измеряемый перепад окажется больше 700 мм. рт.ст.
  8.  Освободить стопорный винт 8 (рис.2.12) крепления статора балансирного электродвигателя.
  9.  Включить весы в рабочее положение переводом стопорной ручки из положения «2» в положение «0», при этом осветиться шкала весов на матовом стекле.
  10.  Включить импульсную лампу строботахометра.
  11.  Закрыть задвижку на напорной линии рабочего трубопровода и приступить к испытаниям. Следует иметь в виду, что продолжительная работа насоса при закрытой задвижке вследствие перегрева жидкости не рекомендуется.

Обработка результатов эксперимента

При снятии характеристики количество подач, на которых проводят замеры, должно быть не менее 16, включая точку при нулевой подаче, причем подачи в соседних точках должны отличаться друг от друга не более, чем на 8 % от номинальной подачи.

Для обеспечения равномерного распределения точек по подаче составляется табл.2.12 режимо-показаний расходомера, которые нужны для проведения очередного замера.

Таблица 2.12

i	1	2	3	4	5	6	n + 1
hi

 Для этого необходимо установить предельные расходы (максимальный и минимальный) с помощью задвижки на нагнетательном трубопроводе. Замерить показания дифференциального манометра hmax и  hmin , соответствующие предельным расходам, и определить значения между  и  на 8-16 равных участков.

,

где hmin и hmax – показания дифманометра, мм;  i – порядковый номер замера (i = 1,2,3, …,  +1);  n – число участков разбивки.

Снятие характеристики нужно начинать с режима минимальной мощности, т.е. для центробежных насосов – с нулевой подачи, для вихревых и осевых – с наибольшей подачи. Новая подача устанавливается по мере все большего открытия регулирующей задвижки и контролируется по показанию дифференциального манометра расходомера в соответствии с таблицей режимов.

При каждом режиме снимаются показания (см.рис.2.12): В – вакуумметра 5 или Мв – манометра 4 на подводящем трубопроводе насоса,  Мн – манометра 10,  hi – дифференциального манометра 12 расходомера 11,  G – балансирного электродвигателя 7 и частоты вращения n по строботахомтеру 9.

Во время испытаний стрелки пружинных приборов и уровня в дифманометре непрерывно колеблются. Необходимо внимательно улавливать средние показания приборов, не допуская снятия замеров по случайным и кратковременным отклонениям показания, вызываемым пульсацией потока в системе.

Обработка результатов испытаний производится непосредственно после испытаний и ведется каждым участником испытаний в протоколах подсчета.

Для построения рабочей характеристики значения Н, N,  наносятся на график в функции Q. По нанесенным точкам проводятся плановые кривые, осредняющие результаты, полученные в отдельных точках. При этом следует добиваться наименьших и приблизительно одинаковых отклонений точек по обе стороны кривой. График должен содержать шкалы величин с цифрами и их обозначения. Каждая из кривых также должна иметь соответствующие обозначения Н, N и . Значок «штрих» на графике опускается.

Последовательность выключения установки

1.  Открыть уравнительный вентиль дифманометра.
2.  Стопорным винтом закрепить статор электродвигателя.
3.  Отключить весы переводом стопорного регулятора из положения «0» в положение «2».
4.  Далее отключается строботахометр, компрессор и электродвигатель центробежного насоса.

Расчетные и экспериментальные данные заносят в протокол испытаний (табл.2.13).

Контрольные вопросы

1.  Основные параметры насосов: подача, напор, полезная мощность, потребляемая мощность и КПД.
2.  Характеристика центробежных насосов.
3.  Регулирование режима работы насоса.
4.  Законы пропорциональности.

Список основных источников:  [1,с. 154-159, 167-178, 188-190;  3, с.160-166, 176-184;  5, с.131-178].

Таблица 2.13

Протокол 1

Нормальные испытания центробежного насоса 2К-6

Dн = 40 мм;  Dв = 50 мм;  c = 1,0410-2;  hвм = 0,15 м;  hв = 0,60 м;  l = 0,565 м;  G = 0,087 кг

Номер точки

Напор

Подача

Час-тота вра-щения n, мин-1

Мощность

КПД , %

Характеристика приведения к n’ = 2900 мин-1

Мн, кгс/см2

, м

Мв или В, кгс/см2

или , м

Н, м

hрт, мм.рт.ст.

Q, м3/с

G, кг

N, кВт

Nв, кВт

Q, м3/с

Н, м

Nв, кВт

Лабораторная работа № 9

КАВИТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОНСА

Цель работы – получить характеристики всасывающей способности насоса в рабочей области при постоянном числе оборотов, построить кавитационную характеристику.

Теоретическая часть.   Зная всасывающую способность насоса, можно определить высоту всасывания или необходимый подпор, при котором обеспечивается бескавитационная работа насоса.

Кавитация в насосе возникает на входных кромках лопаток рабочего колеса при снижении давления на кромках до давления собственных паров подаваемой жидкости. Кавитация проявляется в парообразовании в зоне наименьшего давления и последующей конденсации паров, происходящей при продвижении потока в колесе в область повышенного давления.

Кавитацию сопровождают следующие явления.

1.  Эрозия материала стенок канала. При конденсации пузырьков пара давление внутри пузырька остается постоянным и равным давлению насыщенного пара, давление же в жидкости повышается по мере продвижения пузырьков. Частицы жидкости, окружающие пузырек, находятся под действием разности давлений в жидкости и внутри пузырька и движутся к центру его ускоренно. При конденсации пузырька происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающееся местным повышением давления, достигающего тысяч атмосфер. Это приводит к выщербливанию материала стенок каналов. Этот процесс называется эрозией и является опасным следствием кавитации.
2.  Вибрация и резкий шум.
3.  Падение подачи, напора, мощности и КПД, то есть искажение характеристик насоса.

Превышение полного напора жидкости во входном патрубке насоса над упругостью ее паров называется кавитационным запасом

  ,          (2.67)

где рнп – упругость насыщенного пара, Па; (табл.2.16); р – абсолютное давление на входе в насос, Па;  р = рат - В, если вакуум во всасывающем трубопроводе;  р = рат + Мв + ghнв , если давление выше атмосферного; рат – атмосферное давление, Па;  В – показание вакуумметра, Па; в – скорость жидкости на входе в насос, м/с.

В результате кавитационных испытаний для каждого режима работы насоса получают его кавитационную характеристику. Она представляет собой зависимость напора мощности от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения и подаче. При больших кавитационных запасах кавитационные явления отсутствуют и величины напора и мощности от кавитационного запаса не зависят. Возникновение кавитации приводит к уменьшению напора и мощности насоса. Режим, при котором начинается падение напора и мощности называется критическим режимом. Ему соответствует критический кавитационный запас. Для того, чтобы насос не работал в режиме недопустимо сильной кавитации, назначают небольшое превышение допустимого кавитационного запаса над критическим. Допустимый кавитационный запас

.                        (2.68)

Зная критический или допустимый кавитационный запас, можно найти для данной насосной установки критическую допустимую высоту всасывания

,     (2.69)

где hпот – гидравлические потери во всасывающем трубопроводе насоса, м;  р0 – давление над жидкостью в приемном резервуаре, Па.

Чтобы контролировать кавитационные условия работы насоса при его эксплуатации с помощью вакуумметра, установленного на входном патрубке, необходимо знать критическую или допустимую величину вакуума на входе в насос. Этот вакуум, выраженный в метрах столба подаваемой жидкости, называют вакуумметрической высотой всасывания

.    (2.70)

Результаты испытания насоса на кавитацию наносят на рабочую характеристику насоса обычно в виде кривой зависимости допустимого кавитационного запаса hдоп от подачи насоса Q,  hдоп = f1(Q) или кривой зависимости допустимой вакуумметрической высоты всасывания  от подачи насоса Q, .

Кривая hдоп = f(Q) строится в результате обработки нескольких кавитационных характеристик, снятых при разных Q в рабочей области насоса по указанию преподавателя. Пример кривой h = f(Q) дан на рис.2.15, где она нанесена совместно с рабочей характеристикой насоса.

Пример кавитационной характеристики дан на рис.2.16. Горизонтальные участки кривых Н = f1(Q) и N = f2(Q) обозначают отсутствие кавитации. При определенных, достаточно малых значениях h кривые начинают снижаться. Значение h, на графике отмеченное пунктиром и отвечающее началу снижения Н и N, является критическим.

Испытательный стенд описан в работе «нормальные испытания центробежного насоса». При проведении кавитационных испытаний используется водокольцевой насос КВН-4 (рис.2.12).

Перед пуском производят внешний осмотр стенда (рис.2.12), проверяют наличие воды в городской сети, открывают вентиль 18 на трубе, подводящей воду в корпус и сальники вакуум-насоса 1, после чего можно пустить в ход электродвигатель вакуум-насоса. Перед остановкой вакуум-насоса закрывают вентиль 18 подвода воды.

Порядок пуска и остановки центробежного насоса смотри в лабораторной работе № 8 «Нормальные испытания центробежного насоса».

Методика проведения кавитационных испытаний

При кавитационных испытаниях насоса снимаются характеристики, которые представляют собой зависимости напора Н, мощности N на валу насоса от кавитационного запаса h при постоянной подаче Q  и частоте вращения вала n.

Для этого после пуска насоса (рис.2.12) при помощи задвижки на напорной линии 13 устанавливают режим, отвечающий определенному перепаду давлений в дифманометре 12 диафрагмы 11.

Снятие каждой частной кавитационной характеристики должно начинаться при давлении, исключающем кавитацию, для чего в баке предварительно создается избыточное давление с помощью компрессора.

По приборам одновременно производят следующие замеры:

1.  перепад давлений в диафрагме hрт , мм рт.ст.;
2.  давление в напорном трубопроводе Мн, кг/см2;
3.  давление во всасывающем трубопроводе Мв (если разрежение, то В, кгс/см2);
4.  масса уравновешивающего груза  Р = G - G, кг,  где G - масса груза на чашке весов, кг;  G – масса груза на чашке весов в режиме нагрузки, кг;
5.  частота вращения вала насоса n, мин-1;
6.  температура воды в кавитационном баке, С;
7.  барометрическое давление Б, мм рт.ст.

Запись показаний по барометру  и термометру производят один раз до и после испытаний. Результаты заносят в протокол 2 испытаний (табл.2.14).

 

Таблица 2.14

Протокол 2

Кавитацонные испытания центробежного насоса 2К-6

t,C =                ;  рнп =            ;  рат =            ;

dв = 50 мм;  с = 1,0410-2;  hвн = 0,15 м;  hм = 0,60 м;  l = 0,565 м

Номер точки

Напор

Подача

Час-тота вра-щения n, мин-1

Мощность

Кавитационный запас

Характеристика приведения к n = 2900 мин-1

Мн, кгс/см2

, м

Мв или В, кгс/см2

или , м

Н, м

hрт, мм.рт.ст.

Q, м3/с

G кг

Nв, кВт

м

, м

h, м

Q, м3/с

Н, м

Nв, кВт

Таблица 2.15

Давление насыщенного пара и плотность воды

t, C	рнп, Па	, кг/м3	t, C	рнп, Па	, кг/м3	t, C	рнп, Па	, кг/м3
10	1208	1000	28	3780	996	40	7375	992
15	1694	999	30	4241	996	42	8210	992
20	2337	998	32	4760	995	44	9100	991
22	2643	998	34	5320	994	46	10080	990
24	2983	997	36	5950	994	48	11160	989
26	3360	997	38	6630	993	50	12335	988

Далее включают вакуум-насос, и в системе создается необходимое пониженное давление посредством кратковременного открытия вентиля 15 (рис.2.12), соединяющего бак с вакуум-насосом. После этого вентиль 15 закрывают и записывают показания приборов. Затем вентиль 15 снова кратковременно открывают и закрывают, устанавливают новое значение вакуума и записывают показания приборов.

Подобным образом при неизменном положении запорных органов испытания проводят 8-10 раз, получая последовательно показания вакуумметра: 0,2;  0,3;  0,4;  0,5 и т.д., кгс/см2.

Вблизи кавитационного режима и при кавитации, которую можно обнаружить по появлению шума в насосе и резкому падению напора и мощности, необходимо снять несколько замеров с более малыми интервалами.

Четкость результатов испытаний зависит от соблюдения условий постоянства числа оборотов насоса и на всем протяжении испытаний. Для этого после опыта величины Н, Q, Nв, hкр приводят к постоянной частоте вращения  n = const по формуле подобия (2.66).

После обработки данных эксперимента строят частную кавитационную характеристику, выражающую зависимость напора Н, подачи Q и мощности Nв от кавитационного запаса hкр.

Если величины hкр, определенные по кривым  Н = f1(h) и Nв = f2(hкр), не совпадают, то за hкр принимают большее из них.

По критическому или допустимому кавитационному запасу находят критическую или допустимую высоту всасывания.

Обработка результатов испытаний

Параметры работы насоса (расчетные) принять: Q = 5  20 дм3/с, n = 2900 мин-1.

Порядок работы следующий.

1.  Установить перепад давлений в дифманометре диафрагмы, соответствующий расчетной подаче насоса, мм рт.ст.

.

1.  Напор насоса найти по формулам (2.61) и (2.62).
2.  Мощность на валу насоса определить по формуле (2.63).
3.  Скорость жидкости, м/с, рассчитать из уравнения расхода

.

1.  Вычислить кавитационный запас по формуле (2.67).
2.  Построить частную кавитационную характеристику.
3.  Установить критическое значение кавитационного запаса. Начало кавитации принять при падении напора мощности на 3 %.
4.  Определить допустимое значение вакуума на входе в насос или допустимую вакуумметрическую высоту всасывания по уравнению (2.70).
5.  Вычислить кавитационный коэффициент быстроходности по формуле С.С. Руднева.

  .                  (2.71)

Расчетные и  экспериментальные данные заносят в протокол испытаний 2 (табл.2.15).

Контрольные вопросы

1.  Критический и допустимый кавитационный запас.
2.  Кавитационная характеристика центробежного насоса.
3.  Вакуумметрическая высота всасывания.
4.  Кавитационный коэффициент быстроходности.

Список основных источников:  [1, с.200-208;  4, с.132-140; 5, с.152-164].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  Башта Т.М. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. Учебник для машиностроительных вузов / Т.М.Башта, С.С.Руднев, Б.Б.Некрасов и др. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982.  423 с.
2.  Гейер В.Г. Гидравлика и гидропривод. / В.Г. Гейер, В.С. Дулин, А.Г. Боруменский, А.Н. Заря: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981.  295 с.
3.  Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1995. – 564 с.
4.  Черкасский В.М.  Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1984. – 246 с.
5.  Шерстюк А.Н.  Насосы, вентиляторы и компрессоры. М.: Высшая школа, 1972. – 382 с.
6.  Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Кн. 1 и 2. / В.Г. Анштенйн, М.К. Захаров, Г.А. Носов и др. – М.: Химия, 2000. – 1758 с.
7.  Сафин И.Ф. Основы гидравлики и гидроприводю Учебник для строительных техникумов / И.Ф. Сафин, П.В. Сафонов. – М.: Высшая школа, 1978. – 222 с.
8.  Цыбин Л.А. Гидравлика и насосы. Учебн. Пособие для техникумов / Л.А. Цыбин, И.Ф. Шанаев. М.: Высш. школа, 1976. – 256 с.

Приложение А

Теплофизические свойства воды

t, ºС	r, кг/м3	m·106, Па·с	n·106, м2/с	l·102, Вт/(м·К)	с, кДж/(кг·К)	Pr
0	1000	1790	1,79	55,1	4,23	13,7
10	1000	1310	1,31	57,5	4,19	9,52
20	998	1000	1,01	59,9	4,19	7,02
30	996	804	0,81	61,8	4,18	5,42
40	992	657	0,66	63,4	4,18	4,31
50	988	549	0,556	64,8	4,18	3,54
60	983	470	0,478	65,9	4,18	2,98
70	978	406	0,415	66,8	4,19	2,55
80	972	355	0,365	67,5	4,19	2,21
90	965	315	0,326	68,0	4,19	1,95
100	958	282	0,295	68,3	4,23	1,75
110	951	256	0,268	65,5	4,23	1,58

Приложение Б

Теплофизические свойства воздуха

t, ºС	r, кг/м3	m·106, Па·с	n·106, м2/с	l·102, Вт/(м·К)	Pr
-20	1,395	16,2	12,79	2,28	0,716
-10	1,342	16,7	12,43	2,36	0,712
0	1,293	17,2	13,28	2,44	0,707
10	1,247	17,6	14,16	2,51	0,705
20	1,205	18,1	15,06	2,59	0,703
30	1,165	18,6	16,00	2,67	0,701
40	1,128	19,1	16,96	2,76	0,699
50	1,083	19,6	17,95	2,83	0,698
60	1,060	20,1	18,97	2,90	0,696
70	1,029	20,6	20,02	2,96	0,694
80	1,000	21,1	21,09	3,05	0,692
90	0,972	21,5	22,10	3,13	0,690

Учебное  издание

КАЛИНИНА Валентина Сергеевна

НАУМЧЕНКО Ираида Семеновна

СМИРНЫХ  Александр  Александрович

Лабораторный практикум

по гидравлике и гидравлическим

машинам

Учебное  пособие

Корректура  авторов

Компьютерный набор и верстка авторов

ЛР № 020449 от 31.10.97. Подписано в печать       .    .2005.

Формат 60841/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Ризография.

Усл. печ. л.        . Уч. -изд. л.       . Тираж 500 экз. Заказ       С – 05.

Воронежская государственная технологическая академия (ВГТА)

Участок оперативной полиграфии ВГТА

Адрес академии и участка оперативной полиграфии:

394017, г. Воронеж, пр. Революции 19.

Н 31

Рис. 1.1.  Пьезометр      Рис.1.2.  U-образный

                                                                            манометр

EMBED KompasFRWFile

EMBED KompasFRWFile

Рис.1.3.  Пружинный  манометр

Рис.1.4.  Трубка  Пито

EMBED KompasFRWFile

Рис.1.5.  Трубка Пито-Прандтля

EMBED KompasFRWFile

EMBED KompasFRWFile

Рис.1.6.  Сопло

EMBED KompasFRWFile

Рис.1.7.  Трубка  Вентури

EMBED KompasFRWFile

Рис.1.8.  Мерная диафрагма

Рис.2.1.  Вращательное движение

относительно вертикальной оси

EMBED KompasFRWFile

Рис.2.2.  Схема  экспериментальной  установки

EMBED KompasFRWFile

Рис.2.3.  Схема  экспериментальной  установки

EMBED KompasFRWFile

EMBED KompasFRWFile

Рис.2.4.   «Стенд Бернулли»:  1-18 – пьезометры; 19 – напорный бак; 20 – индукционный расходомер;

21 – регулирующий вентиль; 22 – насос с двигателем; I-IX – местные сопротивления;

23 – пьезометрическая доска

Рис.2.6.       Схема  для тарировки мерной диафрагмы:

1 – дифференциальный манометр; 2 – мерная диафрагма;

3 – ротационный газовый счетчик; 4 – вентиль

EMBED KompasFRWFile

EMBED KompasFRWFile

Рис.2.7.   Схема опытной установки для испытания

центробежно-вихревого насоса

Рис.2.8.  Схема вихревого насоса закрытого типа:  1 – ротор;  2 – корпус насоса;  3 – нагнетательный патрубок;  4 – перемычка;

5 – всасывающий патрубок

EMBED KompasFRWFile

Рис.2.9.  Схема центробежного вентилятора:  1 – рабочее колесо;

2 – корпус вентилятора «Улитка»;  3 – всасывающий конфузор; 4 – нагнетательный диффузор

EMBED KompasFRWFile

Рис.2.10.    Схема опытной установки:  1 – центробежный вентилятор; 2 – электродвигатель;  3 – нагнетательный трубопровод;  4 – трубка полного напора в нагнетательном трубопроводе;  5 – диафрагма;  6 – щит управления;  7 – пусковая кнопка;  8 – дифманометр полного напора;    9 – счетчик электроэнергии;  10 – дифманометр скоростного напора;  11 – всасывающий трубопровод;  12 – решетка, спрямляющая поток воздуха; 13 – трубка статического напора во всасывающем трубопроводе;  14 – трубка полного напора во всасывающем трубопроводе

EMBED KompasFRWFile

Рис.2.11.  Схема скоростной (пневмометрической) трубки

EMBED KompasFRWFile

EMBED KompasFRWFile

Рис.2.12. Схема стенда испытания центробежного насоса:  1 – вакуум-насос;  2,18,20,21 – вентили;

3 – термометр;  4 – манометр на всасывающей линии;  5 – вакуумметр;  6 – насос центробежный;

7 – балансирный электродвигатель;  8 – стопорный винт;  9 – тахометр;  10 – манометр на нагнетательной

линии;  11 – мерная диафрагма;  12 – дифференциальный манометр;  13 – задвижка;  14 – вентиль

от компрессора;  15 – вентиль к вакуумнасосу;  16 – ротаметр;  17 – кран;  19 – кавитационный бак;

22 – водомерное стекло;  23 – индукционный расходомер ИР-61

Рис.2.13.  Схема измерения

напора насоса

EMBED KompasFRWFile

Рис.2.14.   Характеристика центробежного насоса

EMBED KompasFRWFile

H

N

h

Dhдоп

Dhдоп, м

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Рис.2.15.  Схема дифманометра:

1 – рабочий вентиль; 2 – продувочный вентиль; 3 – уравнительный вентиль

Рис.2.16.  Кавитационные характеристики насоса

EMBED KompasFRWFile

1. Курсовая работа- Генетика
2. Что такое операционная система вообще и Linux в частност
3.  Предмет этнологии
4. Реферат- Стиль СМС
5. Тема 1. Історичні умови винекнення та джерела формування української культури
6. 17 декабря 2013 г
7. ДИСТАНЦИЯПЕШЕХОДНАЯ Класс дистанции ~ 2 Количество этапов ~ 7 Дистанция состоит из трёх блоков
8.  ВВЕДЕНИЕ 2 ЧТО ТАКОЕ ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ 3
9. Лабораторная работа ’ 7 Раздел- методы индуктивной статистики.html
10. Закономерности организационных изменени
11. Задание ’2 1.1. Постановка задачи Составить алгоритм и программу вычисления функции с использованием нест
12. прежнему нуждается в серьезных исправлениях о чем знает каждый кто знаком с материалом
13. Тема 11- Правовая охрана и использование объектов животного мира
14. Если проанализировать какие регулятивные механизмы существуют в public reltions комплексной информационной к
15. Сущность акции Процедура эмиссии ценных бумаг Правила составления кредитного договора
16. Основные понятия современного естествознания
17. У- боль 100 - 110 - ; коаго 12И- на бо 13Е- иссие сы 2
18. Лабораторная работа 5 Измерение параметров вращательного движения Цель работы- измерить параметры ха
19. Контрольная работа- Информационные ресурсы органов власти
20. ТЕМА- Визначення типологічних характеристик вищої нервової діяльності ВНД і профілю міжпівкульної організ

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе