Тема 8 «ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ И РУКАВНЫХ СИСТЕМ» Лекция 8.1 «ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ» Вопрос 1. Классификация трубопроводов и рукавных систем

Цели занятия: образовательная – сформировать представление у курсантов о проведении гидравлического расчета трубопроводов, видах трубопроводов по способу соединения, определению рабочей точки насоса; воспитательная – воспитание профессиональной ответственности за результаты служебной деятельности; развивающая – развитие потребности и мотивации в самостоятельном освоении профессиональных знаний, повышение профессионального уровня.

Литература 1. Ухин Б.В. Гидравлика: учебное пособие. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, С , Изучаемые вопросы: - Классификация трубопроводов и рукавных систем. - Основные задачи гидравлического расчета.

Вопрос 1. Классификация трубопроводов и рукавных систем

При гидравлическом расчете трубопроводов в зависимости от соотношения в них местных и линейных потерь напора различают короткие и длинные трубопроводы. К первым относятся все трубопроводы, в которых местные потери напора превышают 10 % потерь напора по длине. Ко вторым относятся трубопроводы, в которых местные потери меньше 10% потерь напора по длине.

К коротким трубопроводам относятся всасывающие линии водоприемников, внутренние хозяйственно-бытовые трубопроводы, маслопроводы объемных передач. К длинным трубопроводам относятся наружные водопроводные сети, магистральные водоводы, нефтепроводы.

При расчете коротких трубопроводов, учитывают как потери по длине, так и местные потери напора. При расчете длинных трубопроводов местные потери можно не рассчитывать, а потери по длине увеличивать на 5-15%

Учитывая гидравлическую схему работы длинных трубопроводов, их можно разделить также на простые и сложные. Простыми называются последовательно соединенные трубопроводы одного сечения, не имеющих никаких ответвлений. К сложным трубопроводам относятся системы труб с одним или несколькими ответвлениями, параллельными ветвями, состоящие из труб различных сечение и т.д.

По способу соединения сложные трубопроводы могут быть последовательно соединенные, параллельно соединенные, разветвленные и кольцевые.

Последовательное соединение. Возьмем несколько труб различной длины, разного диаметра и содержащих разные местные сопротивления, и соединим их последовательно

При подаче жидкости по такому составному трубопроводу от точки М к точке N расход жидкости Q во всех последовательно соединенных трубах 1, 2 и 3 будет одинаков, а полная потеря напора между точками М и N равна сумме потерь напора во всех последовательно соединенных трубах. Таким образом, для последовательного соединения имеем следующие основные уравнения:

Q 1 = Q 2 = Q 3 = Q Σh M-N = Σh 1 + Σh 2 + Σh 3

Выражение в скобках представляет собой сопротивление всей системы при последовательном соединении S_c=(S_1+S_2+ S_n)

Параллельное соединение. Такое соединение показано на рисунке ниже. Трубопроводы 1, 2 и 3 расположены горизонтально.

Очевидно, что расход жидкости в основной магистрали Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 Выразим потери напора в каждом из трубопроводов через полные напоры в точках М и N : Σh 1 = H M - H N ; Σh 2 = H M - H N ; Σh 3 = H M – H N Отсюда делаем вывод, что Σh 1 = Σh 2 = Σh 3 = h c т.е. потери напора в параллельных трубопроводах равны между собой.

Для каждого из параллельных участков справедлива зависимость: С учетом, что потери в параллельных участках равны между собой и равны потерям системы, получим формулы расходов

Общий расход рассчитывается как сумма расходов по линиям Отсюда потери напора в системе составят В этом выражении дробь представляет В этом выражении дробь представляет собой сопротивление системы при параллельном соединении участков

При параллельном соединении равноценных участков (S 1 =S 2 =…=S n ) общее сопротивление системы будет в n 2 раз меньше сопротивления одного участка Таким образом, параллельное сопротивление линий значительно снижает общее сопротивление по сравнению с сопротивлением одной линии.

Разветвленное соединение. Разветвленным соединением называется совокупность нескольких простых трубопроводов, имеющих одно общее сечение - место разветвления (или смыкания) труб. баб Разветвленный трубопровод

Пусть основной трубопровод имеет разветвление в сечении М-М, от которого отходят, например, три трубы 1, 2 и 3 разных диаметров, содержащие различные местные сопротивления (рис. а). Геометрические высоты z 1, z 2 и z 3 конечных сечений и давления P 1, P 2 и P 3 в них будут также различны. Так же как и для параллельных трубопроводов, общий расход в основном трубопроводе будет равен сумме расходов в каждом трубопроводе: Q = Q 1 + Q 2 + Q 3,, Записав уравнение Бернулли для сечения М-М и конечного сечения, например первого трубопровода, получим (пренебрегая разностью скоростных высот)

Обозначив сумму первых двух членов через H ст и выражая третий член через расход (как это делалось в п.1), получаем H M = H ст 1 + KQ 1 m Аналогично для двух других трубопроводов можно записать H M = H ст 2 + KQ 2 m H M = H ст 3 + KQ 3 m Таким образом, получаем систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными: Q 1, Q 2 и Q 3 и H M. Построение кривой потребного напора для разветвленного трубопровода выполняется сложением кривых потребных напоров для ветвей по правилу сложения характеристик параллельных трубопроводов (рис. б) - сложением абсцисс (Q) при одинаковых ординатах (H M ). Кривые потребных напоров для ветвей отмечены цифрами 1, 2 и 3, а суммарная кривая потребного напора для всего разветвления обозначена буквами ABCD. Из графика видно, что условием подачи жидкости во все ветви является неравенство H M > H ст 1.

Сложные трубопроводы. Сложный трубопровод в общем случае составлен из простых трубопроводов с последовательным и параллельным их соединением (рис. а) или с разветвлениями (рис. б). Рис. Схемы сложных трубопроводов Рассмотрим разомкнутый сложный трубопровод (рис. б). магистральный трубопровод разветвляется в точках А и С. Жидкость подается к точкам (сечениям) B, D и E с расходами Q B и Q D и Q E. Пусть известны размеры магистралей и всех ветвей (простых трубопроводов), заданы все местные сопротивления, а также геометрические высоты конечных точек, отсчитываемые от плоскости M - N и избыточные давления в конечных точках P B и P D и P E. Для этого случая возможны два вида задач:

Сложный кольцевой трубопровод. Представляет собой систему смежных замкнутых контуров, с отбором жидкости в узловых точках или с непрерывной раздачей жидкости на отдельных участках (рис.). Задачи для таких трубопроводов решают аналогичным методом с применением электро-аналогий (закон Кирхгофа). При этом основываются на двух обязательных условиях. Первое условие - баланс расходов, т.е. равенство притока и оттока жидкости для каждой узловой точки. Второе условие - баланс напоров, т.е. равенство нулю алгебраической суммы потерь напора для каждого кольца (контура) при подсчете по направлению движения часовой стрелки или против нее. Для расчета таких трубопроводов типичной является следующая задача. Дан максимальный напор в начальной точке, т.е. в точке 0, минимальный напор в наиболее удаленной точке Е, расходы во всех шести узлах и длины семи участков. Требуется определить диаметры трубопроводов на всех участках.

Трубопроводы с насосной подачей жидкостей. Как уже отмечалось выше, перепад уровней энергии, за счет которого жидкость течет по трубопроводу, может создаваться работой насоса, что широко применяется в машиностроении. Рассмотрим совместную работу трубопровода с насосом и принцип расчета трубопровода с насосной подачей жидкости. Трубопровод с насосной подачей жидкости может быть разомкнутым, т.е. по которому жидкость перекачивается из одной емкости в другую (рис. а), или замкнутым (кольцевым), в котором циркулирует одно и то же количество жидкости (рис. б).

Рассмотрим трубопровод, по которому перекачивают жидкость из нижнего резервуара с давлением P 0 в другой резервуар с давлением P 3 (рис. а). Высота расположения оси насоса H 1 называется геометрической высотой всасывания, а трубопровод, по которому жидкость поступает к насосу, всасывающим трубопроводом или линией всасывания. Высота расположения конечного сечения трубопровода H 2 называется геометрической высотой нагнетания, а трубопровод, по которому жидкость движется от насоса, напорным или линией нагнетания. Составим уравнением Бернулли для потока рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе, т.е. для сечений 0-0 и 1-1 (принимая α = 1): Это уравнение является основным для расчета всасывающих трубопроводов.

Характеристикой насоса называется зависимость напора, создаваемого насосом, от его подачи (расхода жидкости) при постоянной частоте вращения вала насоса. На рис. дано два варианта графика: а - для турбулентного режима; б - для ламинарного режима. Точка пересечения кривой потребного напора с характеристикой насоса называется рабочей точкой. Чтобы получить другую рабочую точку, необходимо изменить открытие регулировочного крана (изменить характеристику трубопровода) или изменить частоту вращения вала насоса.

Задание на самоподготовку: 1. Ухин Б.В. Гидравлика: учебное пособие. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, С ,