Основы гидравлики и насосы судовых систем

В условиях постоянного развития судостроения и морского транспорта, эффективное и надёжное функционирование всех систем судна является залогом безопасности и успешной эксплуатации. Одной из ключевых областей, обеспечивающих это, является гидравлика, а также насосы судовых систем.

В данном материале рассмотрим фундаментальные принципы гидравлики, которые лежат в основе работы судовых систем, изучим свойства гидравлических жидкостей и их влияние на производительность. Особое внимание будет уделено режимам движения жидкости и, конечно же, судовым насосам – их общей характеристике, классификации и основным параметрам, определяющим их эффективность в условиях морской среды.

Основные положения гидравлики

Гидравлика – это не просто раздел физики, изучающий законы равновесия и движения жидкостей, но и краеугольный камень в функционировании многих современных систем, от промышленных машин до сложнейшего оборудования. На судах же, где каждый механизм работает в условиях повышенных нагрузок и специфической среды, понимание гидравлических принципов и работы Техническая эффективность и надёжность судовых системсудовых систем становится критически важным. Принципы работы гидравлических систем на судах основаны на законе Паскаля, который гласит, что давление, приложенное к жидкости в замкнутом объеме, передается равномерно во всех направлениях.

Рабочие жидкости судовых систем и их свойства

Судовые системы – осушительная, балластная, санитарная, пожарная, топливная, охлаждающая, питательная и др. – в большинстве своем предназначены для перемещения жидкостей.

Существуют понятия невязкой (идеальной) и вязкой (реальной) жидкостей, принятые в теоретических и практических расчетах. Рабочим телом в судовых системах служат вязкие жидкости. Из физических свойств жидкостей наиболее значимыми являются:

• весомость,
• вязкость,
• иногда сжимаемость,
• механическая и химическая стойкость.

Весомость жидкости

Весомость жидкости характеризуется удельным весом, Н/м³, представляющим собой вес единицы объема жидкости:

где:

• P – вес некоторого объема V, м³, жидкости H;
• $m=\frac{P}{g}$

  – масса рассматриваемого объема жидкости, кг;

• g – ускорение свободного падения, м/с².

Количество массы в единице объема называется плотностью жидкости, кг/м³:

Удельный вес и плотность связаны между собой зависимостью:

Удельный вес и плотность жидкости изменяются при изменении температуры, что представляет практический интерес, в связи с изменением при этом объема. Это напрямую связано с тем, что оказывается значительное влияние температуры на вязкость судовых гидравлических масел (жидкостей).

Коэффициент температурного объемного расширения жидкости характеризует изменение объема жидкости при повышении температуры на 1 °C:

где:

• $\frac{∆V}{V}$

  – относительное изменение рассматриваемого начального объема V жидкости при температуре t₁;

• ∆t = (t₂ – t₁) – изменение температуры;
• t₁, t₂ – начальная и конечная температуры жидкости.

Вязкость гидравлических жидкостей

Вязкостью называется свойство жидкости сопротивляться деформации (скольжению слоев).

Коэффициент абсолютной (динамической) вязкости характеризует силу трения, которая приходится на единицу поверхности двух скользящих слоев жидкости при условии, что градиент скорости по нормали равен единице, и обозначается μ, Па·с. По стандарту значения вязкости приводятся при температуре 50 °С.

Вместо динамической вязкости μ в расчетах довольно часто пользуются кинематической вязкостью ν, м²/с, которая получается делением μ на плотность ρ:

Коэффициент Автоматическое регулирование вязкости судового топливакинематической вязкости ν характеризует отношение сил вязкого сопротивления к инерции жидкости.

Непосредственное измерение абсолютной вязкости затруднено. Для измерения вязкости обычно пользуются вискозиметром – прибором, определяющим условную или относительную вязкость сравнительно с вязкостью другой жидкости в определенных условиях, принимаемой за условную единицу. Относительную вязкость масла измеряют часто в градусах Энглера (°Е). Градусы Энглера представляют собой частное от деления времени истечения 200 см³ испытуемой жидкости через капилляр диаметром в свету 2,8 мм на время истечения через тот же капилляр 200 см³ воды при температуре 20 °С.

При определении характеристик вязкости масла обычно снимают три показания вискозиметра: при 20, 50 и 100 °С и обозначают полученные величины соответственно °Е₂₀, °Е₅₀, °Е₁₀₀.

Сжимаемость жидкости

Режимы движения жидкости

Движение реальных (вязких) жидкостей по Судовые системы и трубопроводытрубопроводам систем и каналам их агрегатов сопровождается потерями напора на преодоление сопротивлений, причем величина этих потерь зависит, при прочих равных условиях, от характера движения жидкости.

Различают два режима движения жидкости в трубопроводах:

• ламинарное,
• и турбулентное.

Переход от ламинарного к турбулентному потоку наступает при определенных условиях, характеризуемых числом (критерием) Рейнольдса Re, представляющим собой безразмерную величину, связывающую:

• среднюю скорость потока жидкости v;
• диаметр d трубопровода (линейный диаметр канала);
• и коэффициент кинематической вязкости жидкости ν.

Определение числа Рейнольдса для расчета потока в судовых системах:

• в трубах круглого сечения:

• в каналах некруглого сечения:

Здесь:

• Re – число Рейнольдса;
• v – средняя скорость жидкости на данном участке поперечного сечения, м/с;
• d – внутренний диаметр трубопровода, м;
• Q – расход жидкости, м³/с;
• μ, ν – коэффициенты динамической и кинематической вязкости жидкости, Па·с, м²/с;
• χ – смоченный периметр, м;
• ρ – плотность жидкости, кг/м³;

• r – гидравлический радиус сечения потока,

  $r=\frac{F}{\chi }$

  , м

  ;

• F – площадь сечения потока, м².

Моменту перехода ламинарного режима в турбулентный и обратно соответствуют при данных условиях определенные значения Re. При значении Re меньше критического, движение потока жидкости ламинарное, при значении больше критического – турбулентное. Ламинарному режиму течения жидкости по гладким металлическим цилиндрическим трубам соответствуют значения Re ⩽ 2 200-2 300, турбулентному Re ⩾ 2 200-2 300.

Читайте также: Судовые насосы и их эксплуатационные характеристики

В судовых системах встречаются все виды движения жидкости. Ввиду большого разнообразия судовых систем, не представляется возможным дать расчетные формулы для всех случаев. Приведем основные уравнения, описывающие одноразмерное движение жидкости, и необходимые сведения для пользования этими уравнениями.

Установившееся движение

При установившемся движении жидкости давления и скорости в каждой точке определенного сечения потока не меняются во времени. При плавно изменяющемся сечении потока связь между скоростями в различных сечениях определяется из уравнения постоянства расхода жидкости вдоль потока (уравнение неразрывности):

где:

• Q – объем жидкости, проходящей через сечение потока, м³;
• F – площадь сечения потока, м²;
• v – средняя скорость течения жидкости в данном сечении, м/с.

Это уравнение справедливо и для неустановившегося Основные положения гидравлики и движение жидкости по трубопроводам суднадвижения жидкости.

Связь между скоростями и действующими давлениями в различных сечениях потока может быть получена из известного уравнения Д. Бернулли:

где:

• z₁, z₂ – высота расположения центров тяжести сечений потока над плоскостью сравнения, м;
• p₁, p₂ – давление в центрах тяжести сечений потока, Н/м²;
• γ – удельный вес жидкости, Н/м³;
• g – ускорение свободного падения, м/с².

Отдельные члены формулы 9 для двух рассматриваемых сечений потока характеризуют:

• $z_1–z_2$

  – работу сил тяжести жидкости;

• $\frac{p_1}{\gamma }–\frac{p_2}{\gamma }$

  – работу сил гидродинамического давления;

• $\frac{v_1^2 – v_2^2}{2g}$

  – приращение кинетической энергии потока.

Пользуясь уравнением Д. Бернулли, рассмотрим случай установившегося течения жидкости по трубопроводу постоянного диаметра, присоединенному к резервуару, в котором поддерживается постоянное давление p₁ и площадь сечения которого во много раз больше сечения трубопровода (

$\frac{v_1}{v_2}\approx 0$

).

 
Пусть в выходном сечении трубопровода действует постоянное давление p₂ (рис. 1).

Тогда на основании уравнения Д. Бернулли можем написать:

или

Значения критических скоростей для давлений, применяемых в гидросистемах, приведены на рис. 2.

Формулы 9 и 10 справедливы только для идеальной (невязкой) жидкости, при движении которой скорости в любой точке поперечного сечения потока равны.

При движении реальной (вязкой) жидкости скорости в сечении потока будут различны, что изменит значение живой силы массы жидкости, проходящей в единицу времени через сечение потока.

Неравномерность скоростей по сечению потока учитывается коэффициентом Кориолиса α, который имеет значение 1,05-1,1 и в расчетах часто опускается.

Предлагается к прочтению: Роторные насосы и их эксплуатация на судне

Помимо учета неравномерности распределения скоростей по сечению потока для реальной жидкости необходимо учитывать потери напора на преодоление сопротивлений, которые обозначим h_w.

Тогда формула 9 примет вид:

Потеря напора h_w при движении жидкости по трубопроводам в свою очередь связана с потерей напора по длине трубопровода h_{д. т} и с потерей местных сопротивлений h_{м. с}, т. е.:

Общие сведения о насосах судовых систем

Классификация судовых насосов

В зависимости от назначения различают судовые насосы:

• общего назначения;
• и специальные.

Рассмотрим для чего используются насосы на морских судах. Насосы общего назначения применяют для перекачивания воды и жидкостей, имеющих сходные с ней свойства (мало отличающиеся от воды вязкость и химическую активность).

Специальные насосы имеют конструкцию, удовлетворяющую дополнительным требованиям, связанным с особенностями перекачивания тех жидкостей, для которых они предназначены.

Классификация судовых насосов и принципы работыКлассификация насосов по назначению чрезвычайно обширна. Об этом свидетельствует даже простое их перечисление:

• осушительные,
• водоотливные,
• балластные,
• дифферентные,
• креновые,
• пожарные,
• пресной воды,
• питьевой воды,
• мытьевой воды,
• забортной воды,
• водяного отопления,
• фекальные,
• насосы хладоносителя,
• спасательные,
• охлаждающие,
• грузовые,
• зачистные,
• насосы гидравлики,
• тузлучные,
• конденсатные,
• питательные,
• вакуумные,
• дренажные,
• рассольные,
• расхолаживания,
• топливные,
• масляные,
• дистиллятные,
• заправочные,
• рыбоподачи,
• рефулерные,
• промывочные,
• грунтоотсасывающие и др.

Классификация насосов по принципу действия для судовых систем подразделяется на следующие типы:

1. Насосы вытеснения, или объемные, – поршневые и ротационные.
2. Лопастные насосы – центробежные, вихревые, пропеллерные, или осевые.
3. Струйные насосы – пароструйные, водоструйные и воздухоструйные.

По роду привода различают насосы судовых систем с:

• паровой машиной;
• паровой или газовой турбиной;
• электродвигателем;
• гидродвигателем;
• двигателем внутреннего сгорания.

Основные параметры, характеризующие работу насоса

Основные параметры насоса, а также технические данные, характеризующие их работу:

Производительность измеряется в объемных единицах (м³/ч, м³/с, л/мин). Различают теоретическую Q_т и действительную Q_д производительность. Соотношение между ними выражается зависимостью:

где:

• ∑q – потери жидкости в насосе, равные разности расходов жидкости во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

На основании уравнения Бернулли можно записать (рис. 3):

где:

• v_н, p_н, z_н – соответственно скорость потока, м/с, давление, Н/м², и геометрическая высота места замера давления на выходе из насоса, м;
• g – ускорение свободного падения, м/с²;
• γ – удельный вес жидкости, Н/м³;
• v_в, ±p_в, z_в – соответственно скорость потока, м/с, давление, Н/м², и геометрическая высота места замера давления у входа в насос, м (знак минус – при работе насоса с подсосом, знак плюс – при работе насоса с подпором).

Подставив значения, полученные из формул 14 и 15, в формулу 13, получим:

Напор насоса H, м, можно подразделить на статический H_ст и динамический H_дин:

Статический напор – приращение удельной потенциальной энергии жидкости в насосе:

Динамический напор – приращение удельной кинетической энергии жидкости в насосе:

При Лопастные насосы и их эксплуатация на суднеработе насоса с подсосом, когда уровень перекачиваемой жидкости z_ж ниже уровня z_в, давление всасывания составляет:

где:

• p_а – атмосферное давление, Н/м²;
• h^в-ж – напор, теряемый на преодоление гидравлических сопротивлений во всасывающем трубопроводе, м.

Геометрическая высота всасывания определяется из выражения:

где:

• знак минус – при работе насоса с подсосом;
• знак плюс – при работе насоса с подпором.

При работе насоса с подпором, когда уровень перекачиваемой жидкости z_ж выше уровня z_в, давление всасывания будет:

При работе насоса с подпором, как видно из рассмотрения формул 20 и 22, давление всасывания можно создавать меньшее. В связи с этим надежность работы насоса, установленного ниже уровня перекачиваемой жидкости, повышается.

Потребляемая, или эффективная, мощность складывается из теоретической, или индикаторной, N_i и мощности, затрачиваемой на механические потери в насосе N_м. Индикаторная мощность в отличие от гидравлической учитывает потери жидкости и напора в самом насосе, поэтому:

Таким образом, потребляемая мощность определится из выражения:

Если между насосом и приводным двигателем имеется механическая передача, то требуемая Измерение мощности судового дизельного двигателямощность двигателя составит:

где:

• η_р – КПД передачи.

Коэффициент η_н учитывает три вида потерь:

• объемные,
• гидравлические,
• и механические.

Объемные потери учитываются объемным КПД (коэффициентом подачи) η_о, который равен отношению действительной производительности Q к теоретической Q_т:

Будет интересно: Насосы грузовых систем газовозов

Гидравлические потери, или потери напора в насосе, учитываются гидравлическим КПД η_г, который равен отношению действительного напора H к теоретическому напору H_т:

Механические потери в насосе, т. е. трение в подшипниках и сальниках, учитываются механическим КПД η_м, равным отношению индикаторной мощности N_i к эффективной N_е:

Таким образом:

Автор

Ольга Коцофан

Фрилансер

Список литературы

1. Аристов Ю. К. Судовые вспомогательные механизмы. М., Речной транспорт. М., 1963.
2. Арцыков А. П., Воронов В. Ф. Судовые вспомогательные механизмы. Л., Судпромгиз, 1963.
3. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. М., ГНТИМЛ, 1963.
4. Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., Судостроение, 1971.
5. Валдаев М. М. Гидравлические приводы судовых палубных механизмов. Л., Судостроение, 1973.
6. Власьев Б. А., Резчик Ю. И. Судовые вспомогательные механизмы. Л., Судостроение, 1979.
7. Колесников О. Г. Судовые вспомогательные механизмы и холодильные установки. М., Транспорт, 1964.
8. Лукин Г. Я., Колесник Н. Н. Опреснительные установки промыслового флота. М., Пищевая промышленность, 1970.
9. Попов Р. И. Судовые вспомогательные механизмы. М., Пищевая промышленность, 1970.
10. Торбан С. С. Судовые и береговые промысловые установки и механизмы. М., Пищевая промышленность, 1972.
11. Шмаков М. Г. Судовые устройства. М., Транспорт, 1971.
12. Шмаков М. Г., Климов А. С. Якорные и швартовные устройства. Л., Судостроение, 1964.
13. Юткевич Р. М., Савин К. А., Волегов В. А. Судовые сепараторы топлива и масла. Л., Судостроение, 1967.