Гидравлический расчет установки

 

Явление кавитации заключается в образовании в жидкости местных областей, в которых происходит выделение (вскипание) парогазовых пузырьков с последующим их разрушением в результате конденсации паров и смыкания пузырьков, сопровождающимися высокочастотными гидравлическими микроударами и высокими забросами давления.

Кавитация может возникнуть в трубопроводах, в насосах, а также во всех устройствах, где поток жидкости подвергается поворотам, сужениям с последующим расширением (в кранах, клапанах, вентилях, диафрагмах) и прочим деформациям.

Кавитация нарушает нормальный режим работы гидросистемы, а в отдельных случаях оказывает разрушающее действие на ее агрегаты.

Особенно отрицательное действие оказывает кавитация на насосы. Она наступает, если давление на входе во всасывающую камеру насоса окажется недостаточным для того, чтобы обеспечить неразрывность потока жидкости в процессе изменения скорости ее движения, задаваемой изменением скорости движения всасывающего элемента насоса.

С появлением кавитации производительность насоса понижается, возникает характерный шум, происходит эмульсирование жидкости, а также наблюдаются резкие частотные колебания давления в нагнетаемой линии и ударные нагрузки на детали насоса, которые могут вызвать выход его из строя. Основным в борьбе с кавитацией применительно к насосам является создание на всасывании (на входе в насос) такого давления, которое было бы способно преодолеть без разрыва потока жидкости как гидравлические потери в линии всасывания, так и инерцию массы столба гидрожидкости.

В общем случае бескавитационную работу насоса можно описать следующим уравнением:

 

Рб + Рн = hγ - ΣPn - (И2Bxγ/2g) Рк (*)

 

Где: Рб=2,3 кг/см —225400 Па - давление в гидробаке самолета Ту-154;

Рн - повышение давления подкачивающим насосом;

h =2,5 м - разность между уровнем жидкости в баке и входным штуцером насоса;

γ = 834 кг/м3 = 8173,2 Н/м3 - удельный вес жидкости АМГ-10 при t=20°C;

ΣPn - сумма потерь давления во всасывающей магистрали;

Ивх = 3 м/с - скорость течения гидрожидкости во всасывающей магистрали. Выбрана согласно рекомендациям, приведенным в литературе;

g =9,8 м/с2 - ускорение свободного падения;

Рк - критическое давление, при котором поступает активное выделение воздуха из жидкости. Практически значение Рк может быть принято равным 400 мм рт.ст или Рк=53000 Па.

Потери давления во всасывающей магистрали складываются из потерь давления в:

§ шланге и трубопроводах;

§ закруглениях трубопроводов;

§ холодильнике;

§ самозапирающейся муфте;

§ расходомере-вискозиметре;

§ тройниках;

§ фильтрующем устройстве;

§ присоединительной арматуре.

Для расчета потерь в трубопроводах установки необходимо помимо длины знать их диаметр и характер течения жидкости. Расход жидкости через сечение трубопровода:

 

Q=(p d /4)* Ивх

 

Где: d - диаметр трубопровода

 

 (**)

 

За расчетную величину расхода жидкости Q примем его максимальное значение Q=110 л/мин, или в системе СИ: Q=0,0018 м3/с

Для определения характера течения жидкости в трубопроводе воспользуемся критерием Рейнольдса. Число Рейнольдса

Re=И d/n

 

Где: v = 3,04°Е при температуре t=20°C - кипнематическая вязкость жидкости АМГ-10;

3,04 градуса Энглера соответствуют 21,2 сст или 0,212 см2/с.

Выражая входные величины формулы в сантиметрах и секундах, получим:

Re = 300*31,2/0,212 = 44151

Поскольку полученное число Re больше критического значения 2300, то можно заключить, что поток в трубопроводах и шлангах установки будет носить турбулентный характер.

Значение числа Re попадает в интервал от 2300 до 80000, следовательно потери на трение в трубопроводах зависят от числа Re.

По формуле Блазиуса коэффициент сопротивления при турбулентном течении:

λ = 0,3164*

λ = 0,3164*44151-0,25 = 0,0218

Потери давления на трение в шланге и трубопроводах определяются из выражения

 

DРтр= l g(L/d)*(И /2g)

 

Где: L - суммарная длина коммуникаций во всасывающей линии. Примем L=8,8 м (складывается из 5 м длины шланга, соединяющего самолет с установкой и 3,3 м трубопроводов внутри установки и самолета).

DР =0,0218*8173,2(8,8/0,0312)*(9*2*9,8) = 23076 (Па)

Потери на преодоление местных сопротивлений:

 

DР = x*(И g /2g)

Где: ξ - коэффициент местного сопротивления, зависящий от вида последнего. Значение ξ определяется из справочной литературы.

Потери на закруглениях трубопровода на 90° при относительном радиусе изгиба r/d=2, ξ =0,15, количество закруглений во всасывающей магистрали - 5 шт.

DР = 5-0,15*(3 *8173,2)/(2*9,8) = 2814,8 (Па)

Потери давления в холодильнике, ξ = 3,5:

DР = 3,5*(3 *8173,2)/(2*9,8) = 13135,5 (Па)

Потери давления в самозапирающейся муфте, ξ =1,2:

DР = 1,2*(3 *8173,2)/(2*9,8) = 4503,6 (Па)

Потери давления в расходомере-вискозиметре, ξ =0,4:

DР = 0,4*(3 *8173,2)/(2*9,8) = 1501,2 (Па)

Потери давления в тройниках (2 штуки), ξ =0,25:

DР = 0,5*(3 *8173,2)/(2*9,8) = 1876,5 (Па)

Максимальные потери давления в фильтрующем устройстве составляют 4 кг/см2 или 392000 Па - при указанном перепаде открывается клапан перепуска. Таким образом ΔРф = 392000 Па.

Потери давления в присоединительной арматуре, ξ = 0,1:

 

DР = 10*0,1*(3 *8173,2)/(2*9,8) = 3753 (Па)

 

Таким образом, суммарные потери давления во всасывающей магистрали составляются из:

 

åР =

 

И равны:

åРп = 2814,8+13135,5+23076+4503,6+1501,2+

+1876,5+392000+3753 = 44660,4 (Па)

Введем обозначение:

А = Р + hg - åP - (И2вхg /2g)

А = 225400+2,5*8173,2-442660,4-(32*8173,2)/(2*9,8) = 200584,4 (Па)

Из условия (*) определяем, требую степень повышения давления насосом подкачки:

Рн ³ Рк-А

Откуда

Рн ³ 2535844 Па

Произведенный выше расчет всасывающей линии насоса учитывал работу установки в основном режиме и в режиме проверки, т.е. когда гидрожидкость поступала к качающему узлу из гидробака самолета Ту-154, имеющего наддув сжатым воздухом. При работе установки в режиме заправки, забор жидкости осуществляется из бака стенда. Давление в нем равно атмосферному. Вследствие этого возникает необходимость расчета всасывающей линии при работе установки в режиме заправки. Условие бескавитационной работы нагнетающего насоса остается тем же, но величины, входящие в него изменяются.

Поскольку базовый аэродром может находиться на различной высоте над уровнем моря, то примем давление внутри бака Рб =70121 Па, что соответствует высоте 3000 м по таблице международной стандартной атмосферы.

Изменится также разность между уровнем жидкости в баке и входным штуцером насоса h. Она станет h' = 0,6 м.

Суммарная длина трубопроводов сократится и станет L'=l,9 м. Вследствие этого изменится и величина потерь на трение в коммуникациях, определяемая по формуле:

DР' =0,0218*8173,2*(1,9/0,0312)*(3/2 *9,8)=4982 Па

Количество изгибов трубопровода сократится до 3-х, и величина потерь давления на них составит:

DР = 3*0,15*(3 *8173,2)/(2*9,8) = 1688,9 Па

К суммарным добавятся потери давления на гидравлическом кране

x=0,5

DР = 0,5*(32*8173,2)/(2*9,8) = 1876,5 Па

Потери давления на присоединительной арматуре ΔРпа останутся такими же.

Суммарные потери давления в линии всасывания при работе установки в режиме заправки:

åР' = DР'тр +D Р'изг+D Рх +D Ррв +D Рт +D Рф+D Рпа+D Ркр

И равны:

åР' = 4982+1688,9+13135,5+1501,2+1876,5+392000+3753+1876,5 = 420813,8 Па

Введем обозначение:

 

А'= Р'б + h'g - åP' - (И вхg /2g)

 

А' = 70121+0,6*8173,2-420813,8-(3 *8173,2)/(2*9,8) = -349541,9 (Па)

Pн³ 402541,9 (Па

Таким образом, потребное повышение давления подкачивающим насосом при работе установки в режиме заправки значительно превышает этот же показатель при работе в режиме очистки или проверки.

В качестве подкачивающего насоса можно использовать лопастной, приводимый от индивидуального электродвигателя. Режим работы электродвигателя предлагается, изменять вместе с режимом работы установки. Таким образом достигается экономия электроэнергии и отпадает необходимость в системе наддува гидробака установки, что существенно снижает ее стоимость и упрощает обслуживание.

Диаметр трубопровода линии нагнетания определяется из выражения (**). Изменяется значение скорости потока жидкости. Оно становится И =8 м/с.

Расчет производится по методике, изложенной в источнике [5].

 

ОХРАНА ТРУДА.