Насадком называется короткая труба, присоединенная к отверстию в тонкой стенке

Насадки делятся на три основных вида: цилиндрические, конические и коноидальные (рис. 8.3). Цилиндрические насадки – это цилиндрические патрубки длиной порядка трех-четырех диаметров. Они делятся на внешние и внутренние. Конические насадки разделяются на расходящиеся, в которых вдоль струи увеличиваются размеры поперечного сечения (диффузоры), и сходящиеся, в которых вдоль струи размеры поперечного сечения уменьшаются (конфузоры).

Рис. 8.3. Виды насадков: а – внешний цилиндрический; б – внутренний цилиндрический; в – конический расходящийся; г – конический сходящийся; д – коноидальный

В насадке поток состоит из двух самостоятельных частей: центральной, где частицы жидкости перемещаются только поступательно, и окружающей ее водоворотной зоны, где частицы жидкости совершают вращательное движение, а вся зона представляет собой завихренное пространство (рис. 8.4).

В водоворотной зоне находятся жидкость, выделившиеся из нее пары и растворенные газы. Завихренная зона образуется в результате изгиба линий токов, вызванного условиями входа жидкости в отверстие. Струя заполняет все сечение насадка не сразу, а лишь на некотором расстоянии от входного отверстия. Зажатый в завихренной зоне воздух довольно быстро увлекается потоком, и во входном участке насадка образуется вакуум, величина которого зависит от скорости движения жидкости или, по существу, от напора. Вследствие разрежения (вакуума) жидкость подсасывается из резервуара: скорость протекания жидкости возрастает ввиду увеличения полного напора, слагающегося из напора над центром тяжести входного отверстия и величины ваку­ума в сжатом сечении. Вакуум, в свою очередь, несколько расширяет сжатое сечение. Повышение скорости протекания жидкости через входное отверстие и увеличение площади сжатого сечения вызывают возрастание расхода через насадок по сравнению с истечением через отверстие. При насадках длиной больше 40¸50 d эффект подсасывания не компенсирует возрастающие гидравлические потери по длине насадки, и расход жидкости через такой насадок оказывается равным или меньше расхода через отверстие.

Основными параметрами при истечении жидкости через насадки являются скорость и расход, которые определяются по тем же формулам, что и для отверстий в тонкой стенке, но со своими величинами коэффициентов скорости j и расхода m для каждого типа насадка.

Внешние цилиндрические насадки.На основании уравнения Д. Бер­­нулли для двух сечений (рис. 8.5): 1–1 по свободной поверхности в резервуаре и 2–2 по входному сечению насадка относительно плос­кос­ти сравнения 0–0, проходящей через ось насадка, получим

, (8.8)

где – сумма всех коэффициентов сопротивления, характеризующих потери напора при протекании жидкости через насадок.

Эти потери складываются из потерь напора на сужение струи до ее сжатого сечения, потерь на расширение струи за сжатым сечением и на трение по длине насадка. Поэтому суммарный коэффициент сопротивления

. (8.9)

Подставив в уравнение значение , найдем скорость истечения

, (8.10)

где коэффициент скорости

. (8.11)

Так как на выходе насадок работает полным сечением, коэффициент сжатия струи e будет равен единице, а коэффициент расхода .

Расход определяется по формуле

.

Наибольшими значениями коэффициентов расхода и скорости внешний цилиндрический насадок обладает при длине (3¸4) d. В данном случае эти величины равны 0,82. Внешний цилиндрический насадок такой длины называется насадком Вентури. Вакуум в насадке достигает наибольшего значения в сжатом сечении, что можно установить опытным путем и теоретически. Если к зоне сжатия струи присоединить жидкостный вакуумметр, то жидкость в трубке поднимется на высоту .

Для определения величины вакуума теоретически составим уравнение Д. Бернулли для сжатого сечения с–с и выходного сечения 2–2 относительно плоскости сравнения 0–0 по оси насадка:

. (8.12)

После всех преобразований получим

, (8.13)

где H₀ – полный напор при истечении.

Однако, как показывают опытные данные, при вакууме более 8,0 м вод. ст. начинается засасывание воздуха в насадок через выходное сечение; происходит срыв вакуума за счет частичного или полного отрыва струи жидкости от внутренней стенки насадка. Действующий напор понижается, уменьшается коэффициент расхода m, а следовательно, и пропускаемый расход. Насадок начинает работать как простое отверстие. Цилиндрические насадки широко применяются на практике. Так, насадки данного типа используются в ка­честве выпусков воды в плотинах и водопроводных труб под насыпями и т. д.

Конически расходящиеся насадки.В конически расходящихся насадках в области сжатого сечения создается вакуум бо́льшей величины, но величина вакуума зависит от угла конусности. При большом угле конусности возможен отрыв струи от стенок насадка, и, следовательно, срыв вакуума. Опытами установлено, что оптимальный угол конусности составляет 5÷7^о, коэффициент расхода m и скорости j равны: .

Конически расходящиеся насадки за счет расширения потока отличаются от всех других видов насадков значительно бо́льшими потерями напора, малыми скоростями выхода. Следовательно, их отличительными особенностями являются: значительный вакуум, большая пропускная способность (большой расход Q) при относительно малых выходных скоростях. Используют эти насадки в водоструйных и пароструйных насосах (эжектор и инжектор), гидроэлеваторах и т. п.

Конически сходящиеся насадки.Конически сходящиеся насадки имеют форму конуса, сходящегося по направлению к выходному сечению. Для этих насадков коэффициенты m и j не равны между собой и зависят от угла конусности насадка. Наибольшее значение коэффициента расхода m = 0,946 соответствует углу конусности q = 13^о24'.

Коэффициент скорости j по мере возрастания угла конусности непрерывно возрастает от 0,829 до 0,984. При угле конусности 13÷14^о потери напора на расширение исчезают, так как сжатое сечение приближается по величине к выходному. Вакуума нет, поскольку скорость струи в сжатом сечении не больше выходной скорости. Основное назначение этих насадков – увеличивать скорость выхода жидкости, т. е. создавать струю, обладающую большой удельной кинетической энергией. Струя, выходящая из насадка, отличается компактностью и способностью на длительном расстоянии сохранять свою форму, не распадаясь. Поэтому их применяют в качестве сопел гидромониторов, гидравлических турбин, наконечников пожарных брандспойтов и т. п.

Коноидальные насадки.Коноидальный насадок очерчивается по форме вытекающей струи. Его входной участок выполняется по сложной поверхности двоякой кривизны, а выходной имеет цилиндрическую форму. Коэффициенты расхода m и скорости j равны между собой и принимаются в интервале 0,97÷0,99 в зависимости от напора и качества обработки внутренней поверхности насадка.