ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ГИДРАВЛИКИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Гидравлика и гидромашины

Учебное пособие

Издательство «Вектор Бук»

Тюмень, 2009

УДК 622.692.4

Гидравлика и гидромашины: Учебное пособие /Под общей редакцией Ю.Д. Земенкова – Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2009. – 250 с.

Рассмотрены основы современной гидростатики и гидродинамики и газодинамики. Приведены примеры практического применения основных расчетных формул и зависимостей. Отдельное внимание уделено вопросам конструирования и эксплуатации гидромашин и гидроприводов. Рассмотрены основные принципы типовых гидравлических расчетов в нефтяной отрасли. В качестве практического материала даны примеры решения наиболее распространенных инженерных задач по основным разделам гидравлики, а так же задачи для самостоятельного решения.

Общая редакция: Земенков Ю.Д., д.т.н., профессор, зав. кафедрой

«Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов

и хранилищ»

Авторский коллектив:

Земенкова М.Ю., Трясцин Р.А., Венгеров А.А., Курушина В.А., Тырылгин И.В.

Рецензенты:

Шаповал А.Ф., проректор по научной работе Тюменской государственной архитектурно-строительной академии, член-корреспондент РА АСН, д.т.н., профессор;

Даниэлян Ю.С., заведующий отделом научного обеспечения проектирования ОАО «Гипротюменнефтегаз», д.ф.-м.н., профессор.

ISBN ©Тюменский государственный

нефтегазовый университет, 2009

ВВЕДЕНИЕ

Гидравлика или прикладная гидромеханика - это наука о законах равновесия и движения жидкостей и газов и их приложениях для решения инженерных задач.

Теоретические и практические знания гидравлики тесно связаны с другими науками, такими как физика, математика, теоретическая механика.

Экспериментальные и теоретические построения в гидравлике (прикладной гидромеханике) базируются на упрощенных схемах движения жидкости с применением усредненных характеристик потока (средняя скорость, среднее давление), в то время как общая гидромеханика базируется на точных методах, законах, параметрах.

Курс гидравлики состоит из двух основных частей: первый раздел -гидростатика - включает в себя проблемы равновесия жидкостей, вторая - гидродинамика - посвящена вопросам движения жидкостей в трубах, каналах, пористых породах и т.п. Гидродинамика

Гидравлика - значимая основа гидравлики многих инженерных дисциплин.

Гидравлика близка к таким наукам как газодинамика (наука о течении газов при высоких скоростях), термодинамика (в части истечения паров), теплопередача (в части течения неизотермических потоков), гидротехника (в части течения жидкостей через специальные гидротехнические сооружения), курс насосов (в части течения жидкостей через насосы), курсы водоснабжения, канализации и вентиляции (построенные на базе гидравлики).

В настоящее время развивается раздел гидравлики - подземная гидравлика - наука о течении жидкостей и газов в пористых породах.

Весь этот комплекс наук является важной основой для изучения инженерных дисциплин для специалистов обширной нефтегазовой отрасли, автомобильного хозяйства, машиностроения и других отраслей промышленности.

Так, например, прикладным объектом исследований могут быть нефть и газ в пластах, сложные объекты транспорта и хранения углеводородов, оборудование, гидравлические и пневматические системы автомобилей, станков, резервуаров, нефтеперерабатывающих заводов, насосных и компрессорных станций, нефтебаз и других объектов.

Знание структуры курса, правильное определение физических свойств жидкостей, корректный выбор единиц измерения и пересчет различных данных из одной системы единиц в другую, владение основными законами гидравлики и их инженерными приложениями - все это является необходимыми требованиями для успешного изучения основ гидравлики.

Историческая справка

Гидравлика с древнейших времен была объектом особого интереса пытливых разумов. Древние документы свидетельствуют о том, что уже 5000 лет до н.э. в Китае сооружались оросительные каналы и устройства для подъема воды.

Первые водопроводы появились в Риме примерно 600 лет до н.э.

Герон Александрийский в Ш в. до н. э. впервые описал устройство шприца. Из рисунка видно, что при использовании шприца требовалось создать разрежение воздуха под поршнем.

Известный всем греческий исследователь Архимед написал свой первый трактат «О плавающих телах» 250 лет до н.э., он открыл первый закон гидростатики – закон равновесия тела погруженного в жидкость. Ученому принадлежит водоподъемный винт – спиральный винт, вращающийся в наклонной трубе, который до сих пор используется в Египте для подъема воды.

Большой вклад в развитие гидравлики был внесен в эпоху Возрождения (1452-1519) гг. итальянцем Леонардо да Винчи, который изучал истечение жидкости из отверстий, течение в реках и каналах. Однако его сочинение было опубликовано уже после его смерти, почти через 400 лет.

Впервые «Начала гидростатики» были написаны в 1586 г. в Голландии ученым Стевиным.

Итальянский ученый Галилео Галилей в 1612 г. изложил результаты своих исследований в трактате «О телах, находящихся в воде, и о тех, которые в ней движутся».

В Средние века строительство шахт без использования насосов было невозможным, поскольку требовалось откачивать скапливающуюся в них грунтовую воду. Именно тогда было обнаружено, что насос всасывающего типа выше чем на 10 м. воду не поднимает. Шахты были глубокими, и для откачивания воды создавалась система из нескольких насосов. На этот вопрос пытался ответить Галилей в 1638 г.

Тогда присутствовала гипотеза, что природа боится пустоты и вода поднимается за поршнем, чтобы между поршнем и водяным столбом не образовывалась пустота. Галилей же доказывает, что сила «боязни пустоты» ограничена, и определяет ее численное значение. На современном языке сила «боязни пустоты» соответствует силе атмосферного давления.

Галилей был всемирно известным ученым, и его метод рассуждений привлекал внимание многих естествоиспытателей. В начале 40-х гг. XVII столетия итальянец Берти прямо на фасаде своего римского дома разместил установку, в которой демонстрировал возможность откачки воздуха из стеклянных сосудов. Вертикальная труба заполнялась водой через верхний кран, затем он закрывался, и открывался нижний кран. Столб воды опускался, и в верхней шарообразной части сосуда образовывался разреженный воздух.

Работая в Оксфорде со своим помощником Робертом Гуком, Роберт Бойль сконструировал воздушный насос, с помощью которого можно было выкачивать воздух из сосуда. Книга о воздушном насосе и его возможностях вышла в свет в 1680 г. и сделала ее автора ведущим физиком своего времени. Бойль обнаружил падение ртути в барометре, если над ртутной ванной выкачивать воздух. Он открыл, что даже в разреженном воздухе при трении выделяется теплота. Бойля также прославил следующий опыт. Опыт демонстрировал огромные силы, возникающие при увеличении объема воды в процессе замерзания.

Чтобы откачивать воздух с помощью насоса Бойля–Гука, нужно было уже не двигать поршень, а вращать рукоятку, и процедура откачки при этом существенно упрощалась.

Стоит отметить, что одной из главных проблем оставалась изоляция соединительных узлов насоса, чтобы воздух не проникал внутрь.

Эванджелист Торричелли (ученик Г.Галилея) в 1643 г. проводил опыты и вывел формулу истечения жидкости из отверстия.

Знаменитый «Опыт Торричелли» был осуществлен в 1643 г. Опыт наглядно демонстрировал существование пустоты (насыщенные пары ртути), которая находилась в промежутке между ртутью и запаянным концом трубки.

Вскоре «торричеллева пустота» стала объектом новых исследований. Физиков и философов XVII столетия волновал вопрос: действительно ли «природа боится пустоты» и действительно ли «боязнь пустоты» заставляет ртуть подниматься в направлении запаянного конца, способствуя уменьшению пустого пространства? В поисках ответа Торричелли вертикально опускает в чашку с ртутью две предварительно заполненные ртутью трубки – так, чтобы запаянный конец находился над поверхностью, а открытый – под поверхностью. Трубки отличались друг от друга только формой запаянных концов: у одной запаянный конец был более широким. В этой трубке объем пустого пространства был больше, и, если бы ртуть поднималась из-за «боязни пустоты», то как раз в этой трубке уровень ртути был бы расположен выше. В действительности же ртуть в обеих трубках поднималась на одну и ту же высоту. Следовательно, заключает Торричелли, «боязнь пустоты» не может быть предметом научного исследования и ртуть поднимается из-за действия внешней силы.

Повторить опыт Торричелли было несложно, и вскоре он становится украшением модных салонов. В 1676 г. появляется – «барометр», как назвал «трубку Торричелли» французский физик Эдм. Мариотт.

Именно после знакомства с опытами Торричелли Блез Паскаль пришел к идее сравнить показания барометра на равнине и в горах. Идея была реализована, и давление в горах оказалось меньше, чем на равнине. С трубкой Торричелли связаны и важные результаты опытов Роберта Бойля с воздушным насосом. Бойль накрыл трубку Торричелли, опрокинутую в чашу со ртутью, колпаком и откачал насосом воздух из-под колпака. При этом уровень ртути в трубке понижался.

С именем Торричелли связывают также гипотезу о происхождении ветров. Именно он впервые предположил, что возникновение ветра связано с разным уровнем нагрева воздуха над разными участками земной поверхности.

Информация об опытах Торричелли быстро стала известной немногочисленным в то время европейским естествоиспытателям. Б

Бургомистр Магдебурга Отто Герике изобретает насос всасывающего типа и в 1652 г. пытается откачать с его помощью воду из плотно закрытой бочки. Отверстия в стенках бочки не дали ему возможности это сделать. Герике стремился создать в бочке вакуум. Следующий опыт – вполне удавшийся – Герике осуществил уже с медным толстостенным сосудом.

Свой насос Герике назвал «специальной машиной, предназначенной для создания пустоты». Насос был стационарным, основой его была латунная пожарная труба, прикрепленная к железной треноге. Верхняя часть трубы была закрыта крышкой с трубкой, через которую присоединялись сосуды, из которых откачивался воздух. Внутри трубы двигался деревянный поршень; перемещать поршень можно было с помощью специального рычага. Трубка, соединяющая трубу с сосудом, была снабжена клапаном, находящимся обычно в закрытом состоянии благодаря специальной металлической пружине. При опускании поршня воздух выходил из сосуда через клапан в насос, при поднимании поршня воздух через второй клапан рядом с трубкой выходил из насоса в атмосферу. Чтобы свести к минимуму просачивание атмосферного воздуха в насос в месте стыковки поршня с трубой, Герике помещает его нижнюю часть в сосуд с водой – создавая своего рода гидроизоляцию насоса от окружающей среды.

Вскоре Герике проводит знаменитый опыт с магдебургскими полушариями в присутствии германского императора и князей.

Описывающая эти опыты книга «Новые магдебургские опыты о пустом пространстве» (1672г.) стала широко известной.

Блез Паскаль (1623 - 1727)гг. исследовал вопросы по передаче давления в жидкости.

В 1686 г. английский ученый Исаак Ньютон сформулировал закон не только основные законы механики, закон всемирного тяготения, но и закон о внутреннем трении в жидкостях при их движении и ввел понятие вязкости жидкости.

Основателями гидродинамики считают академиков Петербургской (Российской) Академии наук - Леонарда Эйлера (1707-1783) и Даниила Бернулли.

Выдающийся русский ученый, академик С.-Петербургской академии наук., М.Ломоносов разработал точные весы, термометры, приборы для измерения вязкости, яркости, зеркальный телескоп и др. Экспериментально доказал закон сохранения массы при химических превращениях (1756г.). М.Ломоносов является основоположником молекулярно кинетической теории вещества и основателем Московского университета.

Леонард Эйлер в 1755г. впервые вывел дифференциальные уравнения равновесия и движения идеальной жидкости, а Даниил Бернулли – уравнения энергий движущейся жидкости.

В разделе прикладной гидравлики особый вклад внесли в 18-19вв. А.Шези, Дарси, Вейсбах, Бусинеск, Н.Е.Жуковский.

Д.И. Менделеев не только открыл периодический закон химических элементов и составил периодическую таблицу известных элементов, предсказал существование и свойства неизвестных, установил закон взаимосвязи давления, температуры, объема и массы жидкостей и газов. Дмитрию Ивановичу принадлежит множество научных проектов, например внедрению метрической системы мер в России.

Русский ученый и инженер Николай Егорович Жуковский (1847- 1921) известен в деле создания науки о воздухоплавании - теоретической аэродинамики. Н.Е.

Жуковскому принадлежит также решение задачи о гидравлическом ударе в водопроводных трубах и ряд других работ в области гидромеханики.

Дифференциальное уравнение Навье - Стокса (1821-1845)гг. позволило описать движение реаль­ной жидкости как функцию параметров этой жидкости в зависимости от внешних усло­вий.

Дальнейшие работы в области теоретической и прикладной гидромеханики были на­правлены на развитие методов решения практических задач. При решении практических вопросов в гидравлике используется множество известных мето­дов исследований: методом анализа бесконечно малых величин, методом средних вели­чин, методом анализа размерностей, методом аналогий, экспериментальным методом.

Ученый и инженер Н.П. Петров - автор гидравлической теории смазочного трения.

Существенный вклад в гидравлику и гидромеханику внесли своими работами М.В. Остроградский, Д.К. Бобылев, А.Н. Крылов и другие.

В нефтегазовом деле и гидравлике известно имя В. Г. Шухова – ученого и инженера, почётного член Академии наук (1929). Шухов был автором проектов и техническим руководителем строительства первых российских нефтепроводов (1878г.), нефтеперерабатывающего завода с первыми российскими установками крекинга нефти (1931г.). Внёс выдающийся вклад в технологии нефтяной промышленности и трубопроводного транспорта, впервые получил формулы для расчета нефтепроводов, керосинопроводов и мазутопроводов, а также разработал метод расстановки насосных станций на трассе трубопровода.

В 1918 г. был создан Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) - крупнейший центр аэрогидродинамических исследований. В дальнейшем было организованно множество институтов и лабораторий, обеспечивающих мощную роль русской науки.

Школа Н.Е. Жуковского и его ближайших последователей - С.А. Чаплыгина и Л.С Лейбензона - создала немало выдающихся работ в области гидравлики.

Долгое время гидравлика в своих исследованиях опиралась только исследования на воде. Не так давно все инженерные сооружения, которые обосновывались законами гидравлики, сводились к водопроводам, каналам, плотинам и т.п. Естественно, что в опытах над водой из поля зрения гидравликов не учитывались некоторые физические различия и особенности жидкостей.

С появлением новой современной техники и технологий, активным использованием нефти и нефтепродуктов, газа, развитием химической промышленности круг задач гидравлики расширился и постоянно обновляется.

Появление компьютерных технологий и современного точного оборудования позволяет совершенствовать методы гидравлических расчетов в различных отраслях науки и техники, получать более точные и оригинальные решения.

ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ГИДРАВЛИКИ

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: