Учебное пособие 1390

Коэффициенты плавных колен (отводов) трубопроводов

под углом 900 с относительным радиусом изгиба r , где r - ра- d

диус изгиба и d – внутренний диаметр трубы приведены на рис. 16. и прямоугольных тройников с разделением потоков, а также угольников с поворотом под различными углами и проходных угольников – на рис. 17.

Рис. 16. Зависимость коэффициента местного сопротивления закругленной трубы под углом 900 от относительного радиуса изгиба r/d

Рис. 17. Коэффициенты местных сопротивлений

60

5.4.1. Потери в золотниковых распределителях

Одним из наиболее распространенных видов местных сопротивлений являются золотниковые распределители. Данные исследований показывают, что вследствие возмущающего действия поворотов, а также сужений и расширений критическим числом для золотниковых распределителей является значение Re 100 250, а следовательно, поток жидкости в распределителях является преимущественно турбулентными. В соответствии с этим можно считать, что гидравлические характеристики (потери напора р) распределителей весьма близки к параболе и могут быть определены зависимостью

Q2

p 2g s2 ,

где Q – расход жидкости;

s – площадь проходного сечения; γ – объемный вес жидкости; ζ – коэффициент сопротивления; g – ускорение силы тяжести.

Значение ζ для золотниковых распределителей обычно колеблется в пределах ζ = 3 ÷ 5.

Потери напора в золотниковом распределителе зависят также от вязкости жидкости. Эта зависимость может быть достаточно точно выражена эмпирическим выражением

p 1 u2 , 40 2g

где ν – вязкость жидкости в сст; и – скорость потока жидкости в м/сек;

g – ускорение силы тяжести в м/сек2.

Приведенные данные можно применять лишь для приближенных расчетов гидросистемы. Для точных расчетов требуются дополнительные данные испытания (проливки) конкретных местных сопротивлений в реальных условиях их работы.

61

5.4.2. Вход в трубу

Практический интерес представляет местное сопротивление, оказываемое при входе жидкости в трубу из большого объема, в качестве которого здесь служит жидкостный бак, силовой цилиндр, пневмогидравлический аккумулятор, фильтр и др. Под большим объемом понимается объем с площадью сечения в плоскости, перпендикулярной к оси отверстий (трубы) ≥ F ≈ 100 f, где f – площадь сечения отверстий. Расчет потерь для этого случая ведется по формуле, причем под и понимается средняя скорость жидкости в трубе.

Коэффициент ζ при острых кромках входного отверстия (рис. 18) можно принять равным 0,5. При входных кромках отверстия, закругленных по дуге круга, величина коэффициента ζ уменьшается, достигая при отношении r/D = 0,1 ÷ 0,2, где r

– радиус закругления входной кромки и D – диаметр отверстия, значения 0,05 – 0,03. При заделке трубы в плоскую стенку коэффициент повышается до 0,5.

Рис. 18. Схема ввода жидкости в трубу

Уменьшить коэффициент сопротивления на входе жидкости из большого объема в трубу можно также выполнением на входе в нее фасок, причем значение коэффициента зависит

от величины угла α конуса и относительной длины l конуса, d

где l и d – параметры конуса. Для практического применения может быть рекомендован конус с относительной длиной

62

l 0,2 0,3и с углом α = 40 600 . Величина коэффициента d

сопротивления в этом случае составляет 0,1 – 0,15.

Если труба диаметром d заделана в резервуар так, что ее конец входит в резервуар находится на некотором расстоянии l от его стенки (дна), на величину коэффициента сопротивления будет, помимо прочего, влиять относительное расстояние

l среза трубы от стенки; величина коэффициента для этого d

случая может быть принята равной ζ = 1.

5.4.3.Внезапное сужение трубопровода

Вслучае, если вход жидкости в трубу происходит из трубы большего сечения, имеют место условия течения жидкости с внезапным сужением трубопровода (рис. 19).

Рис. 19. Расчетная схема внезапного сужения трубопровода

63

Величина потерь напора для этого случая с внезапным сужением может быть выражена общим уравнением

H u2 , 2g

где и – скорость жидкости в трубе меньшего диаметра. Коэффициент сопротивления ζ для этого случая зависит

от отношения диаметров d2 и d1 труб малого и большого сечений (влиянием числа Re пренебрегаем).

Для практических расчетов можно пользоваться данными, проведенными ниже:

В общем случае коэффициент сопротивления при внезапном сужении трубопровода рассчитывается по выражению (в расчетах принимается скорость жидкости в трубе малого сече-

F

где F и f – площадь сечений трубопровода соответственно до сужения и в месте сужения.

Для уменьшения вихреобразований и связанных с ним потерь напора, имеющих место при внезапных сужениях, переходную кромку закругляют или выполняют на ней фаску. Максимальный эффект достигается при постепенном (коническом) сужении с плавным сопряжением конического и цилиндрического участков. Для этого может быть рекомендован конус с углом α = 40 ÷ 600. Величина коэффициента ζ в этом случае может быть взята равной 0,1 – 0,15.

64

5.4.4. Внезапное расширение трубопровода

Условия, соответствующие внезапному расширению трубы, имеют место при вводе жидкости из трубы в баки, силовые цилиндры, пневмогидравлические аккумуляторы, фильтры и прочие емкости.

Величина потери напора для случая внезапного расширения трубы равна скоростному напору потерянной скорости (теорема Борда-Карно):

H (u2 u1)2

2g

где u2 и u1 - скорости в трубах малого и большого сечений.

При истечении в трубу (резервуар и прочее) с большим поперечным сечением величина u1 практически равна нулю в соответствии с чем потеря напора составит

Hu22 .

2g

5.4.5.Сложение потерь

Общая потеря напора в магистрали равна сумме потерь в отдельных ее компонентах. Однако простое суммирование потерь допустимо лишь в том случае, если расстояние между местными сопротивлениями будет больше участка, необходимого для стабилизации потока после прохождения им каждого местного сопротивления. Так, например, жидкость, поступающая из трубы с турбулентным течением в трубу с ламинарным течением, должна протечь некоторый участок трубопровода, прежде чем установится профиль скоростей, соответствующий ламинарному течению. Этот участок называется входным (начальным). При нарушении ламинарного течения каким-либо местным сопротивлением течение стабилизируется также после прохождения жидкостью какого-то пути. Например, нарушение потока, возникающее в отводах, сохра-

65

няется на расстоянии около 50 диаметров трубы. Длина lст участка стабилизации может быть подсчитана по выражению lcт 0б9Re0,25 d,

где d – внутренний диаметр трубы.

При тщательном закруглении входных кромок трубы длина начального участка, на котором заканчивается формирование ламинарного потока, уменьшается до ~ 0,029 Red.

Местные сопротивления стремятся по возможности разделить прямолинейными участками и расположить их друг от друга на расстоянии l (10 20)d . При необеспечении этого условия поток не успевает стабилизироваться и расчет потерь на местных сопротивлениях усложняется.

Поскольку местные сопротивления магистралей гидравлических систем машин устанавливаются на произвольных расстояниях, потери в них можно учесть лишь приближенно. Трудно также учесть взаимное влияние друг на друга местных сопротивлений, обусловленное малыми расстояниями между ними. Поэтому при практических расчетах трубопроводов потерями на входе и взаимным влиянием местных сопротивлений ввиду их относительно небольшой величины в сравнении с общими потерями обычно пренебрегают.

66

6. КАВИТАЦИЯ ЖИДКОСТИ

Под кавитацией понимается местное выделение из жидкости в зонах пониженного давления ее паров и газов (вскипание жидкости) с последующим разрушением (конденсацией паровых и смыканием газовых) выделившихся парогазовых пузырьков при попадании их в зону повышенного давления. Это разрушение пузырьков сопровождается местными гидравлическими микроударами большой частоты и высокого уровня ударных давлений.

Кавитация нарушает нормальный режим работы гидросистемы, а в отдельных случаях может вызвать разрушение ее агрегатов. Разрушительному действию кавитации подвергаются насосы, золотники, клапаны и прочие гидроагрегаты, причем это действие проявляется зачастую в очень короткое время. Так, например, наблюдаются случаи выхода из строя акси- ально-поршневых насосов, происходящие в результате кавитационного разрушения (износа) распределительной пары и сопровождающегося недопустимого падения производительности за время работы от 20 мин. до 1 ч.

Схематически механизм возникновения кавитации и его разрушительного действия сводится к следующему. При понижении давления жидкости в како – либо точке потока до некоторой величины жидкость вскипает (происходит ее разрыв), выделившиеся же пузырьки газа и пара увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой паровые пузырьки конденсируются, а газовые сжимаются (смыкаются). Так как процесс конденсации парового сжатия газового пузырька происходит мгновенно, частицы жидкости перемещаются к его центру с большой скоростью, в результате кинетическая энергия соударяющихся частиц вызывает в момент смыкания пузырьков местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся высокими забросами давления и температуры в центрах пузырьков (по расчетам температуры могут достигать значений 1000 – 15000 С и выше в местное давление может достигать 1500 – 2000 кг/см2).

67

В том случае, если эти процессы протекают вблизи от стенок ограничивающих каналов, последние будут подвергаться непрерывным гидравлическим ударам (бомбардировкам), которые вызывают местные высокие температуры, развивающиеся в результате скачкообразности процесса и высокого уровня забросов давления. Указанные ударные действия частиц жидкости дополняются химическим воздействием на металл кислорода воздуха, выделяющегося из жидкости, а также воздействием электролитического характера.

Под действием высоких температур в присутствии кислорода воздуха происходит активное окисление (коррозия) контактирующих поверхностей. Происходящие при этом окислительные процессы усугубляются тем, что растворенные в жидкости воздух содержит почти в полтора раза больше кислорода, чем атмосферный воздух. Кроме того, интенсивность окислительных процессов повышается в результате разрушения под действием гидравлических микроударов окислительной пленки, которая в обычных условиях замедляет окисление металлических поверхностей деталей.

Рис. 20. Характер кавитационного разрушения плунжера распределительного золотника следящей гидросистемы

В результате при длительной кавитации под действием указанных гидравлических ударов высокой повторяемости и одновременном воздействии высокой температуры происходит разрушение (эрозия) поверхностей деталей.

Кавитация наступает тем раньше, чем больше жидкость загрязнена твердыми частицами. Это обусловлено тем, что на

68

поверхностях этих частиц адсорбируется тонкий слой воздуха, частицы которого при попадании в зону пониженного давления служат очагами, способствующими возникновению кавитации.

Разрушению подвергаются при развитой кавитации детали различных гидроагрегатов. На рис. 20 показан плунжер распределительного золотника (клапан) следящей гидросистемы, работавший в условиях значительного дросселирования жидкости. Кавитационному разрушению подвергаются также торцы блока цилиндров и межоконные перемычки распределительного диска аксиально-поршневых насосов, на поверхности которых образуются глубокие питинги и выколы.

При возникновении кавитации в трубопроводах сопротивление их значительно возрастает, а пропускная способность соответственно уменьшается. При небольших сечениях трубопровода, образуются газовые пробки и движение жид- костно-газовых фаз происходит чередующимися импульсами.

Кавитация жидкости в насосах наступает при условия, когда жидкость при всасывании отрывается по тем или иным причина от рабочего элемента насоса — поршня, лопасти, зубьев или прочих вытеснителей. Возможность отрыва зависит от вязкости жидкости и величины давления на входе в насос, а также от числа оборотов и конструктивных особенностей насосов. В частности кавитация возникает, если давление на входе во всасывающую камеру насоса окажется недостаточным для обеспечения неразрывности потока жидкости в процессе изменения скорости дальнейшего ее движения.

Предельно допустимым, с этой точки зрения, числом оборотов насоса является такое число, при котором абсолютное давление жидкости на входе в насос будет способно преодолеть без разрыва потока потери напора во всасывающей камере, обусловленные ее сопротивлением и силами инерции. В случае шестеренного и пластинчатого (лопастного) насосов к этим потерям добавляются потери, обусловленные центробежной силой, действующей на жидкость, вращающуюся вместе с ротором насоса.

69