Гидравлика

Развитие гидравлики было обусловлено необходимостью решения технических вопросов, связанных со строительства водопроводов, плаванием судов, полетом метательных снарядов. Основной гидродинамической проблемой античности явилось выяснение сущности взаимодействия между движущимся твердым телом и окружающей его средой - водой или воздухом. Аристотель - великий античный философ (384-322 гг. до н.э.) в своем трактате "Физика" утверждал, что ядро может совершать полет только под действием воздуха, смыкающегося за снарядом и толкающего его вперед, а полет в пустоте невозможен. Но и через десять веков Филопинус в своем схоластическом учении считал, что способность к движению снаряд получает от кузнеца. Ошибочность такого представления в эпоху, когда не был известен закон инерции, не должна вызывать удивления. Архимед (287-212 гг. до н.э.) своим трактатом "О плавающих телах" положил начало научным работам в области гидростатики. Его работы   послужили толчком   к созданию многих замечательных гидравлических аппаратов: поршневой насос Ктезибия, сифон Герона и др. Архимедом открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость, который затем лег в  основу теории плавания  и остойчивости кораблей. Леонардо да Винчи (1452-1519)- гениальный итальянский ученый-первый установил понятие сопротивления жидких и газообразных сред движущимся в них телам, которое он объяснял сжатием воздуха в лобовой части тела. Аналогично он объяснял появление подъемной силы. Он установил принцип работы гидравлического пресса, изобрел центробежный насос. С. Стевин (1548-1620) - голландский инженер - определил давление жидкости на плоскость и описал гидравлический парадокс. Б.Паскаль (1623-1662) - французский физик и математик открыл закон, носящий его имя, о независимости давления жидкости на расположенную внутри нее площадку от ориентации этой площадки в данной точке этой площадки. Г. Галилей (1564-1642) - итальянский ученый систематизировал положения гидростатики и впервые указал на зависимость гидравлических сопротивлений от скорости потока жидкости и ее плотности. На основании опытов с маятниками он вывел заключении о пропорциональности сопротивления первой степени скорости движения тела. X. Гюйгенс (1629-1695) на основании более точных опытов установил близкий к действительности закон пропорциональности сопротивления квадрату скорости, который используется и поныне. Э. Торричелли (1608-1647) - итальянский ученый вывел формулу для расчета скорости истечения жидкости. И. Ньютон (1643-1727) - выдающийся английский физик, математик, астроном - впервые ввел понятие вязкости жидкости, установил зависимость между напряжением трения, градиентом скорости и свойствами жидкости, заложил основы теории гидродинамического подобия. Особенное значение имело установление Ньютоном основных законов и уравнений динамики, обобщение которых на сплошные среды и в первую очередь на жидкость привело к образованию самостоятельного раздела теоретической механики - гидродинамики. Честь создания теоретической гидродинамики как специальной науки с широкими задачами и строгими методами их разрешения принадлежит Российской Академии наук в лице ее академиков Даниила Бернулли (1700-1782) и Леонарда Эйлера (1707-1783). Д. Бернулли - своим трудом "Гидродинамика" (1783) ввел понятие "гидродинамика". Основываясь на законе сохранения живой силы, открытым еще Гюйгенсом для частного случая колебания маятника Бернулли впервые изложил теорему, устанавливающую связь между давлением, уровнем и скоростью движения тяжелой жидкости - основное уравнение движения для струи жидкости. Л. Эйлер - знаменитый математик, механик, физик и астроном, уроженец Швейцарии- с 1727 г. работал в России. Он считается основоположником теоретической гидродинамики, его исследования более чем на сто лет предопределили развитие гидродинамики. В своем трактате "Общие принципы движения жидкостей" (1755) Эйлер впервые вывел основную систему уравнений движения идеальной жидкости. Ему принадлежит вывод уравнения сплошности, турбинного уравнения. Велика его заслуга в разъяснении вопроса о природе сопротивления, показав, что причина сопротивления лежит в отличии обтекания тел реальной жидкостью от соответствующих схем обтекания идеальной жидкостью. М.В. Ломоносов (1711-1765) - великий русский ученый - стремился соединять теорию и практику, открыл закон сохранения массы и энергии, лежащие в основе современной гидравлики. А. Пито (1695-1771) - французский ученый, инженер гидротехник известен изобретением "трубки Пито". А. Шези (1718-1798) - французский ученый - вывел формулу для определения скорости движения жидкости. Ж. Борд (1733-1799) - французский ученый – вывел уравнение для определения потерь напора при резком расширении потока. Д. Вентури (1746-1822) - итальянский профессор исследовал истечение жидкостей из насадков. Ж. Пуазейль (1799-1869) - французский врач и естествоиспытатель - провел исследования течения вязкой жидкости в трубах малого диаметра (капиллярах). О. Рейнольде (1842-1912)- английский ученый – установил два режима течения жидкости и критерий гидродинамического подобия. Ему принадлежит вывод первых дифференциальных уравнений турбулентного движения. Л. Прандтль (1875- 1953) - известный немецкий ученый - разработал теорию турбулентных потоков. П.П. Мельников (1804-1880) - профессор, почетный член Петербургской Академии наук - впервые в 1836 г. издал учебник по гидравлике на русском язьпсе "Основания практической гидравлики..." Н.П.Петров (1836-1920) - профессор - разработал гидродинамическую теорию смазки машин. Н.Е. Жуковский (1847-1921) - внес большой вклад в развитие гидравлики, очень важна его работа "О гидравлическом ударе". Он дал общую теорию подъемной силы, основанную на идее присоединенного вихря, вихревую теорию гребного винта. В.Г. Шухов (1853-1939) - разработал методы расчета нефтепроводов, изобрел оригинальное устройство для подъема нефти - эрлифт. Н.Н.Павловский (1884-1937) - разрабатывал теорию и методы расчета гидравлических сооружений. В двадцатом веке работы в области гидравлики приобрели коллективный характер, что связано с разработкой больших проектов по строительству каналов, гидростанций и других мощных гидротехнических сооружений.   ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ Жидкостью называется агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкость обладает такими свойствами твердого тела как постоянство своего объема, образование поверхности (капельные жидкости), обладание определенной прочностью на разрыв. Отсутствие способности жидкости сохранять самостоятельно свою форму является таким же свойством, каким обладает газ. Наиболее характерным свойством жидкости является ее текучесть. В гидравлике жидкости делятся на два класса: сжимаемые жидкости или газы; почти несжимаемые — капельные жидкости. Идеальная жидкость - научная абстракция, необходимая для упрощения анализа общих законов механики применительно к жидким телам — в природе не существует. У идеальной жидкости отсутствуют силы внутреннего трения между частицами, вследствие этого она не сопротивляется касательным силам сдвига и силам растяжения. Реальная жидкость отчасти сжимается, сопротивляется касательным и растягивающим усилиям. В гидравлике жидкость рассматривается как непрерывная однородная бесконечно делимая среда, частицы которой настолько малы, чтобы можно было считать жидкость сплошной, но достаточно большими, чтобы пренебречь силами молекулярного взаимодействия. Плотность жидкости Плотностью однородного жидкого тела называется отношение массы тела к его объему: р = m/V. Удельный вес y=pg, здесь g = 9,80665 (м/с2) - ускорение силы тяжести. Плотность жидкости изменяется при изменении температуры и давления. Температурное расширение При нагревании жидкости происходит увеличение объема. Степень температурного расширения зависит от физической природы жидкости и характеризуется коэффициентом объемного расширения (k), который показывает относительное изменения объема жидкости при изменении температуры на один градус. V = Vo + kt*Vo*Δt, тогда kt, = (V – V0)/V0Δt, здесь Vo, V - начальное и конечное значение объема жидкости при изменении температуры на Δt градусов. Как правило, жидкости увеличивают свой объем при увеличении температуры. Сжимаемость и упругость Сжимаемость — свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость оценивается коэффициентом объемного сжатия kp, который показывает относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления. V=Vo-kp Vo*Δp, тогда kp = -(V- Vо)/Vо*Δр, здесь Vо, V - начальное и конечное значение объема жидкости при изменении давления на величину Δр. Упругость - способность жидкости принимать свой прежний объем после снятия внешней нагрузки. Коэффициент упругости - величина обратная коэффициенту объемного сжатия ε = 1/kp. Свойство упругости характеризуется модулем упругости K (Па) (р = KΔV/V). Для капельных жидкостей модуль упругости возрастает с увеличением температуры и давления. Для воды К = 2000 МПа. Эта величина указывает на весьма незначительную сжимаемость воды (для других жидкостей порядок тот же), поэтому капельные жидкости считаются практически несжимаемыми. Капельные жидкости при особых условиях способны выдержать большие растягивающие усилия (воде способна выдержать отрицательные нагрузки до 28 МПа. водопроводная вода - 2 МПа, после удаления воздуха 10 МПа). Испаряемость и кавитация При любой температуре наблюдается испарение жидкости с поверхности, интенсивность которого зависит от температуры. Если испарение происходит в ограниченное пространство, то плотность паров над жидкостью увеличивается и увеличивается вероятность столкновения отдельных частиц пара между собой и с массой жидкости. Одновременно с развитием процесса испарения развивается обратный ему процесс конденсации и в определенный момент устанавливается состояние равновесия, наступает максимально возможное при данной температуре насыщение пространства над жидкостью паром. Давление, соответствующее такому равновесию, называется упругостью насыщенных паров при данной температуре, или давлением паров жидкости при данной температуре. При резком уменьшении давления над поверхностью жидкости возникает интенсивное испарение с поверхности и во всей массе — жидкость начинает кипеть. Этому способствует наличие в жидкости некоторого количества растворенных газов, частицы которых являются центрами возникновения пузырьков. Такое вскипание с образованием большого количества пузырьков, каверн-пустот в жидкости называют - паровой кавитацией. В общем случае явление кавитации представляет собой образование разрывов сплошности в жидкости. Явление кавитации возникает, когда давление в жидкости становится ниже давления ее паров при данной температуре. Попадая в область повышенного давления, пузырьки пара конденсируются и переходят в жидкое состояние, а воздушные сжимаются или полностью смыкаются. Это явление происходит мгновенно и сопровождается сильными ударами с резким повышением давления. Многократно повторяясь на очень малой площадке микро удары могут разрушать твердые поверхности, имеет место кавитационная эрозия, которая приводит к разрушению лопастей гидравлических турбин, насосов, гребных винтов, бетонных гидросооружений. Явление кавитации снижает пропускную способность трубопроводов, подачу и КПД насосов. Борьба с кавитацией является важнейшей технической проблемой. Как было указано, кавитация возникает тогда, когда давле­ние в жидкости/7 становится ниже давления ее паров при данной температуре t. Для предотвращения кавитации необходимо обеспечить давление над поверхностью жидкости большее, чем давление насыщенных паров при заданной температуре. В технике явление кавитации используется в совокупности ультразвуковыми колебаниями для удаления жировых, окисных пленок, загрязнения поверхностей деталей. Ультразвуковые колебания создают флуктуации давления, которые вызывают местные явления гидравлического удара или кавитации в близи поверхности обрабатываемой детали. Такое переменное воздействие позволяет хорошо очищать поверхности самой разнообразной формы. Вязкость капельных жидкостей При относительном движении реальных жидкостей проявляются касательные силы сцепления между частицами, как бы тормозящие скольжение слоев. Эти силы характеризуют величину внутреннего трения, или вязкости, жидкости. Представим поток жидкости, состоящий из слоев толщиной dn и допустим, что скорость частиц жидкости от слоя к слою изменяется (показано на эпюре скоростей рис. 1), тогда величина градиента скорости dU/dn определяется тангенсом угла наклона касательной к эпюре скоростей в рассматриваемой точке и характеризует интенсивность изменения скорости в направлении, перпендикулярном к ней. Рис. 1. График изменения скоростей при движении слоев жидкости относительно твердой поверхности. Сила внутреннего трения Т между частицами не зависит от давления в жидкости и пропорциональна поверхности соприкосновения трущихся слоев, относительной скорости их перемещения и зависит от рода жидкости. Закон внутреннего трения, установленный Ньютоном выражается формулой Т = -μFdU/dn, где μ. - коэффициент абсолютной или динамической вязкости. Сила трения, отнесенная к единице площади трущихся слоев, является напряжением силы трения: τ = T/F = -μ(dU/dn). Из этого выражения следует, что при dU/dn = 1, μ= τ, т.е. коэффициент абсолютной, или динамической, вязкости выражает напряжение сил внутреннего трения в данной жидкости, которое возникает при единичном градиенте скорости. Кинематическая вязкость - отношение абсолютной вязкости к плотности жидкости: v= μ/p   ГИДРОСТАТИКА Гидростатика — раздел гидравлики, изучающий законы, которым подчиняется жидкость, находящаяся в состоянии абсолютного или относительного покоя. Абсолютный покой — такое состояние равновесия, при котором отсутствует взаимное перемещение отдельных элементов рассматриваемого объема и перемещение относительно внешней системы. Относительный покой — равновесие жидкости относительно внешней системы, которая может перемещаться в пространстве. В объеме жидкости действуют внутренние и внешние силы. Внутренние силы — силы взаимодействия (сцепления) между отдельными частицами. Внешние силы — силы, приложенные к частицам рассматриваемого объема со стороны жидкости, окружающей этот объем. Они подразделяются на: линейные—силы поверхностного натяжения, возникающие на границе раздела жидкости и газа; поверхностные — силы действующие на поверхность рассматриваемых элементов жидкости (подразделяются на нормальные — силы давления и касательные — силы трения); массовые — силы тяжести и инерции пропорциональны массе элемента жидкости. В гидростатике жидкость рассматривается как идеальная, так как силы трения в покоящейся жидкости отсутствуют, а силами сцепления, ввиду их относительной малости, можно пренебречь. Средним гидростатическим давлением называется сила сжатия жидкости, приходящаяся на единицу площади: или Если уменьшать площадку ΔF до нуля, то в пределе получим гидравлическое давление в точке: . Свойства гидравлического давления: 1.     Гидростатическое давление всегда направлено по нормали к поверхности. 2.     Гидростатическое давление в данной точке во всех направлениях одинаково. 3.     Гидростатическое давление в различных точках покоящейся жидкости различно и является функцией координат точки. Силу давления на элементарную поверхность можно представить как dP = pdF, а силу давления на поверхность Если давление постоянно, то Р = pF. Здесь нужно помнить что сила давления Р измеряется в системе СИ в ньютонах (Н), а давление р в Паскалях (Па=Н/м2). Основное уравнение гидростатики В покоящейся жидкости рассмотрим прямоугольную систему координат x, y, z с выделенным в ней элементарным параллелепипедом размером dx, dy, dz. В центре тяжести элементарного объема действует векторная массовая сила G, а на грани выделенного объема действуют силы давления. Массовая сила G = p∙a∙dxdydz, где р — плотность жидкости, a — вектор ускорения. Проекции вектора ускорения на оси координат являются соответственно aх, ау, аz. Силы давления, действующие на грани элементарного объема в направлениях соответственных осей см. рис.2 , обозначены как:   Рyl = p∙dxdz, Рzl = p∙dxdy. Рис. 2. Элементарный объем жидкости в системе координат XYZ и силы и силы давления, действующие на него со стороны жидкости.       Рис.2.1. Схема, поясняющая вывод основного уравнения гидростатики; h -глубина относительно свободной поверхности, на которой расположена рассмат­риваемая точка А - место где выделен элементар­ный объем; ро - давление на свободной поверхности жидкости. Силы давления, действующие на противоположные грани элементарного объема в противоположных направлениях: Px2= (p+dx) dydz, Py2= (p +dy) dxdz, Pz2= (p +dz) dxdy. Сумма сил в состоянии покоя равна нулю, следовательно: Или подставив значения компоненты силы вдоль каждой оси, получим: Эти уравнения носят название уравнений Эйлера для гидростатики и были выведены в 1755 году. Умножим каждое уравнение на dx, dy, dz, соответственно, и просуммировав эти три уравнения, получим: ρ(axdx+aydy+azdz) - , которое может быть представлено в следующем виде (здесь учтено, что в квадратных скобках записано выражение для полного дифференциала для давления dp), а именно: dp =ρ(ax dx+ aydy+ azdz). В состоянии покоя в жидкости отсутствуют все массовые силы кроме силы тяжести аx = 0, аy = 0, аz = -g, здесь знак минус указывает, что сила тяжести направлена в направлении противоположном положительному направлению оси Oz. Это дает dp = - ρgdz. При интегрировании получим р = - ρgz + С. Если начало координат совпадает с границей раздела жидкость — газ, то при z = z0 p0 = - ρgz0 + C, что дает значение постоянной С, (р0 — давление газа на свободную поверхность жидкости): С= р0 +pgz0. Таким образом, основное уравнение гидростатики можно записать как: p= p0 + ρg(z-z0)= p0 + h Из этого уравнения следует две формулировки закона Паскаля: 1) гидростатическое давление в любой точке покоящейся жидкости равно внешнему давлению плюс давление столба жидкости высотой, равной глубине погружения рассматриваемой точки; 2) внешнее давление, создаваемое в любой точке покоящейся жидкости, передается одинаково по всему объему жидкости. Поверхность, во всех точках которой выполнятся условие p(x,y,z) = const, т.е. dp = 0 (давление остается постоянным), называется поверхностью равного давления или поверхностью уровня. Для поверхности равного давления (р 0) получим уравнение: ax dx + ay dy + az dz = 0, которое называется уравнением поверхности уровня.   ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Пьезометр представляет собой стеклянную трубку, соединенную с точкой, в которой нужно измерить давление. Если пьезометр соединяется с атмосферой, то он измеряет избыточное давление. В соответствии с основным законом гидростатики на горизонтальной линии О-О давление равно постоянной величине (h - уровень жидкости в сосуде) p + h = p0+H, что позволяет измерить давление внутри сосуда р, которое равно p = p0+(H-h). При (H-h)>0, что соответствует повышенному давлению (по сравнению с атмосферным давлением), величина (р-р0) называется избыточным давлением и обозначается pизб=p-p0, см. рис.3.1. В том случае, если давление в сосуде меньше атмосферного, разница между атмосферным давлением и измеряемым называется вакуумметрическим давлением рвак= р – р0 Принцип измерения атмосферного давления целесообразно рассмотреть более подробно. На рис.3.2 показана схема ртутного барометра. Рис.3.1. Схема измерения давления с помощью пьезометра, О-О плоскость сравнения   Рис.3.2. Схема ртутного барометра В сосуд с ртутью установлена вертикально стеклянная трубка с одним запаянным концом, в верхней части которой откачен воздух, т.е. р=0. Плоскость сравнения удобно выбрать на уровне поверхности ртути в сосуде. Поэтому в соответствии с основным уравнением гидростатики можно записать p0= pm*h. В соответствии с полученным соотношением атмосферное давление уравновешивается весом столба ртути высотой h. На рис.3.3 приведена схема дифференциального манометра. В данном случае измеряемая разность давлений равна ( =pg -удельный вес жидкости): ∆р= р-р0= h Рис 3.3. Схема дифференциального U- образного манометра. На рис. 3.4 представлены схемы чашечного манометра и микроманометра. а) б) Рис. 3.4. Чашечный манометр (а) и микроманометр (б). Чашечный манометр (рис.4.4,а) применяется, когда измеряемое давление превышает 3 Па. Обычно в нем используется ртуть (рт = 133000 Н/м3). Микроманометр употребляется для измерения малых давлений. Для увеличения точности показаний измерительная трубка делается наклонной (рис.4.4,б). Иногда угол наклона можно изменить в желаемых пределах. Манометр заполняется легкими жидкостями, дающими малые мениски (спирт). Для удобства отсчет; давления шкала может быть выполнена в более крупном масштабе, как бы растянута в 1/к раз. В этом случае сразу получается готовая величина измеряемого давления. Рис. 3.5 Рис. 3.6. Пружинный манометр Мембранный манометр Металлические манометры, применяются обычно для тех­нических измерений давления, превышающего 20—30 Па. Давление, подводимое к пружинному манометру (рис. 3.5), вызывает деформацию латунной или стальной трубки-пружины 3, согнутой по окружности и имеющей овальное сечение. Трубка-пружина стремится разогнуться, и движение ее конца преобразуется в перемещение стрелки 2, показывающей величину измеряемого давления на циферблате 1. Подобно этому деформация мембраны 4 мембранного манометра так же передается стрелке, показывающей измеряемое давление (рис. 3.6). Под воздействием вакуума трубка-пружина вакуумметра стремится свернуться, поэтому стрелка перемещается в направлении, противоположном ее перемещению в манометре. ЭПЮРЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ Гидростатическое давление (абсолютное или избыточное), действующее на стенки резервуаров, аппаратов или каких-либо гидротехнических сооружений, направлено перпендикулярно к каждому элементу поверхности стенки в любой точке. Величина давления в произвольной точке стенки меняется в зависимости от глубины ее погружения под уровень.   Для наглядности очень удобно изображать графически, в определенном масштабе, изменение гидростатического давления на стенку, погруженную в жидкость. Такой график называется эпюрой гидростатического давления. Эпюра абсолютного и избыточного гидростатического давления на наклонную плоскую стенку сосуда приведена на рисунке 4.   Рис.4. Эпюры абсолютного и избыточного давления на плоскую стенку   СИЛА ДАВЛЕНИЯ НА ПЛОСКУЮ СТЕНКУ Доказательство удобнее проводить в координатных осях, одна из которых оу направлена вдоль стенки (рис. 5), ось ох по линии пересечения стенки со свободной поверхностью жидкости. Рис. 5. Определение силы давления на плоскую стенку Между любой координатой у и глубиной погружения h существует связь: h =ysin. На каждый элемент площади dF действует элементарная сила dP=pdF, но p= h= ysina, a dP= ysinadF. Суммарная сила давления на всю площадь F. Р= pdF =γsina , где — статический момент площади Fx относительно оси ох, равный произведению координаты центра тяжести на площадь. Р=γуcsinaF или P=γhcF=pcF,где pс—давление в центре тяжести. Таким образом, сила статического давления на плоскую поверхность равна произведению гидростатического давления в центре тяжести этой поверхности на ее площадь.     Принцип работы гидравлического пресса Для преобразования малых усилий в большие служит гидравлический пресс. Сравнительно небольшое усилие действует на малый поршень. Если вся система (цилиндры и соединяющий их трубопровод) заполнена жидкостью, то давление, создаваемое под поршнем малого цилиндра, будет передаваться в больший цилиндр и создаст усилие, равное произведению площади поршня на давление под ним. Усилия, создаваемые в большом и малом цилиндрах, пропорциональны площадям торцевых поверхностей поршней.   ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОТОКА ЖИДКОСТИ Траекторией называется путь, описанный частицей в пространстве. Линией тока называется кривая, проведенная в жидкости, касательные к которой в каждой точке совпадают с направлением векторов скоростей частиц Ui в различные моменты времени, лежащих в данный момент на этой кривой (рис.6)изображена ломаная линия, которая при бесконечном увеличении числа частиц в пределе совпадет с изображенной линией тока. Для установившегося стационарного течения линии тока совпадают с траекториями частиц. Линии тока могут быть сделаны видимыми с помощью взвешенных частиц, внесенных в жидкость (например алюминиевый порошок в воде). Рис. 6. Графическая "модель" линии тока (/) и траектория частицы (//). Трубкой тока называется трубчатая поверхность, образо­ванная линиями тока, проходящими через все точки бесконечно малого замкнутого контура, причем все его точки принадлежат различным линиям тока (рис. 7). Жидкость, движущаяся внутри трубки тока, называется элементарной струйкой. Рис. 7. Трубка тока и элементарная струйка. Потоком жидкости называется совокупность элементарных струек, текущих в заданных границах. Потоки, имеющие свободную поверхность, называются безнапорными: жидкость в таких потоках движется благодаря действию силы тяжести. Потоки, не имеющие свободной поверхности и движущиеся под воздействием главным образом давления, называются напорными. Живым сечением F называется поверхность, проведенная в границах потока и нормальная ко всем линиям тока. В гидравлике обычно рассматриваются или параллельно струйные или плавно изменяющиеся потоки, у которых мал угол расхождения элементарных струек и их кривизна. Поэтому живое сечение и параллельно струйных и плавно изменяющихся потоков считается плоским и нормальным к вектору средней скорости потока. Смоченным периметром называется часть периметра живого сечения, соприкасающаяся с ограждающими стенками. Гидравлический размер (диаметр) представляет собой отношение учетверенной площади живого сечения к смоченному периметру dг = 4F/П. Количество жидкости, проходящее через живое сечение в единицу времени, называется расходом. Ввиду малости сечения элементарной струйки можно считать, что скорость по всему ее сечению одинакова. Тогда элементарный расход равен: объемный dQ = udF; весовой dG = γ udF; массовый dM = p udF . Так как скорости различных струек реального потока в общем случае различны, то объемный расход всего потока (в дальнейшем именуется просто "расход") складывается из элементарных расходов струек: Q=∫udF. Интеграл может быть представлен "телом расхода", ограниченным живым сечением и поверхностью, огибающей концы векторов скоростей, построенных во всех точках живого сечения. Фиктивная скорость, с которой должны двигаться все частицы в данном живом сечении, чтобы расход, проходящий через него, оставался равным расходу, вычисленному по действительным скоростям всех частиц в сечении, называется средней скоростью потока — иср. Расход жидкости для потока является величиной постоянной, так как количество струек не меняется. Можно записать: Q = uср F = const или uср1F1 = uср2F2 = uср3F3 Это уравнение называется уравнением неразрывности или уравнением постоянства расхода.     РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ Опытами Рейнольдса было установлено, что существуют два различных по характеру движения жидкости. Это удается обнаружить, впуская тонкую струйку краски в жидкость, которая течет по стеклянной трубке. При сравнительно малых скоростях жидкости струйка краски вытягивается вдоль трубки и не смешивается с окружающей жидкостью. Отсюда можно сделать предположение, что жидкость в трубке движется параллельными, не смешивающимися друг с другом струйками. Такое движение получило название ламинарного (слоистого). При увеличении скорости струйка краски сначала становится волнообразной, затем разрывается, появляются завихрения, и, наконец, краска размывается по всему сечению трубки, интенсивно перемешиваясь с текущей жидкостью. Такое движение было названо турбулентным (вихревым). Оно является одним из видов неустановившегося движения. Турбулентный режим существенно отличается от ламинарного интенсивным перемешиванием и вихревым, вращательным движением отдельных объемов жидкости. Это различие объясняется тем, что при ламинарном движении, благодаря действию вязкости, все линии тока упорядочены, повторяют конфигурацию трубы, и поэтому поперечные перемещения частиц малы. При турбулентном режиме движение отдельных частиц беспорядочно, их траектории имеют вид запутанных пространственных кривых, поэтому скорость каждой частицы, кроме составляющей и, направленной вдоль оси потока, имеет еще и существенные поперечные составляющие скорости v, w, которые определяют перемещение частицы в поперечном направлении.   Рис.8. Режимы движения жидкости в трубе при скорости потока и<икр (а - ламинарный режим движения) и и>икр (б - турбулентный режим движения)   Кроме того, при турбулентном движении наблюдается пульсация давления и упомянутых составляющих скорости. В конечном итоге именно наличие пульсаций скоростей определяет процессы, характерные для турбулентного режима: интенсивное перемешивание, массообмен, теплообмен (при неизотермическом движении) и перенос количества движения. В ламинарном потоке перемешивание и связанные с ним процессы отсутствуют и, например, теплообмен осуществляется путем теплопроводности, а массообмен — путем диффузии. Переход от ламинарного движения к турбулентному происходит при так называемой верхней критической скорости uвкр, значение которой довольно неустойчиво. Обратный переход от турбулентного движения к ламинарному совершается при нижней критической скорости uнкр, величина которой значительно меньше верхней критической скорости, но достаточно определенна. Ламинарное движение, которое удается получить в интервале скоростей uнкр < uкр < uвкр, очень неустойчиво и при воздействии какого-либо возмущения легко превращается в турбулентное. Поэтому под критической скоростью понимается только нижняя критическая скорость икр= uнкр, а движение при скорости, большей uнкр, считается всегда турбулентным. Теория гидродинамического подобия и опыты с различного рода жидкостями при различных диаметрах труб и скоростях жидкости показывают, что переход от турбулентного движения к ламинарному всегда происходит при одном и том же численном значении безразмерного комплекса, называемого критерием или числом Рейнольдса для круглой трубы, имею­щего вид: Re =иср d/v. Переходное значение числа Re определяется по величине критической скорости и называется критическим числом Рейнольдса: Reкр = икр d/v = 2320. В формуле d — диаметр круглой трубы, если сечение отличается от круглого, то в формулу для числа Re нужно подставлять гидравлический размер dr = 4F/П, где F — площадь живого сечения, П— периметр смачивания. Таким образом, если Re < 2320 — режим движения жидкости ламинарный, при Re > 2320 — режим движения жидкости турбулентный.     УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ Основным уравнением гидродинамики является уравнение Бернулли, которое для установившегося движения струйки или потока идеальной жидкости выражает закон сохранения энергии и устанавливает связь между тремя параметрами потока: высотой положения сечения относительно плоскости сравнения - z, давлением -р и средней скоростью потока - и: В уравнении: индексы 1 и 2 означают номера двух живых сечений потока (рис. 9), ρ— плотность жидкости; g -ускорение свободного падения; z — геометрическая высота, или геометрический напор, м; р/pg — пьезометрическая высота, или пьезометрический напор, м; u2/2g — скоростная высота, или скоростной напор, м; (z + p/ρg +u2/2g) = Н(м) — полный гидравлический напор. Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли представлена на рис. 10.1. Рис.9. Пояснение к уравнению Бернулли для струйки идеальной жидкости.   Уравнение Бернулли для установившегося движения потока реальной жидкости имеет следующий вид: где а - коэффициент Кориолиса (отношение действительной кинетической энергии потока в соответствующем сечении к условной кинетической энергии, вычисленной по средней скорости); ∑h - гидравлические потери напора (часть удельной механической энергии, которую жидкость теряет на преодоление сопротивлений на участке трубопровода между сечениями 1 и 2). В отличие от идеальной жидкости при движении реальной жидкости часть энергии, которой она располагает, расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений. Поэтому начальная общая энергия жидкости не остается постоянной по длине струйки или потока, а уменьшается от сечения к сечению (на величину, заштрихованную на рис. 10.2). При этом происходит необратимое преобразование гидромеханической энергии в тепловую. Потери напора складываются из потерь напора на трение по длине трубы и местных потерь напора, связанных с резким изменением направления или размеров сечения потока.             Рис.10.1. Изменение напора по длине трубы для потока идеальной жидкости   Рис.10.2. Изменение напора по длине трубы для потока реальной жидкости Потери напора на трение определяются по формуле Дарси: где λ - коэффициент сопротивления трения, зависящий от режима течения и шероховатости стенок трубы (значения этого коэффициента приводятся в справочной литературе); l - длина расчетного участка трубы; d - диаметр трубы. Местные гидравлические потери напора определяются по формуле Вейсбаха: где ζ - коэффициент местного сопротивления, который зависит от конфигурации канала и режимов течения (значения коэффициента приводятся в справочной литературе по расчету гидравлических сопротивлений); и - средняя скорость, как правило, в наиболее узком сечении рассматриваемого участка трубопровода, на котором изменяются ориентация и размеры сечения по направлению движения потока. Расходование скоростного напора невозможно, так как снижение скорости в каком-то сечении после гидравлического сопротивления потребовало бы увеличения этого сечения. Ни того, ни другого не бывает. Падение же давления легко обнаружить по показаниям манометров, установленных в разных точках трубопровода. При движении реальной жидкости по трубопроводу происходит постоянное преобразование ее удельной энергии, постоянный переход удельной энергии из одного вида в другой. При изменении геодезической высоты потока, геометрический напор обратимо переходит в пьезометрический, при изменении живого сечения — пьезометрический напор переходит в скоростной и наоборот. Переход пьезометрического напора в гидравлические потери является необратимым процессом. ЯВЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА   Гидравлическим ударом называется колебательный процесс, состоящий из чередующихся волн резкого повышения и понижения давления, вызванный внезапным изменением скорости жидкости. Гидравлический удар может возникнуть при быстром закрытии запорных приспособлений, мгновенной остановке насоса, внезапном перекрытии гидротурбины при сбросе нагрузки гидростанции и т. д. Гидравлический удар — опасное явление, которое может вызвать серьезные аварии в гидравлических установках и системах. Пусть из резервуара (рис.15) по трубопроводу длиной L вытекает жидкость со скоростью и. Рис. 15. К явлению гидравлического удара Если быстро закрыть задвижку, установленную на трубопроводе, то остановка жидкости, ввиду ее сжимаемости, произойдет не мгновенно. Прежде всего, остановятся слои жидкости, прилегающие к задвижке; более удаленные слои будут продолжать двигаться, из-за чего жидкость станет сжиматься, давление — повышаться, а стенки трубы — растягиваться. Поэтому, с момента закрытия задвижки от нее по трубопроводу в сторону водоема с некоторой скоростью с будет распространяться волна повышения давления и сжатия жидкости. Через время t = L/c волна достигнет водоема. К этому моменту весь трубопровод окажется заполненным неподвижной сжатой жидкостью при некотором повышенном давлении. При таких условиях равновесие в месте соединения резервуара с трубопроводом невозможно, ибо начнется перемещение сжатой жидкости из трубы в резервуар и соответственное понижение давления в трубопроводе, которые будут распространяться в сторону задвижки с той же скоростью с. В трубопроводе снова возникает как бы отраженная от резервуара волна понижения давления, движущаяся в сторону задвижки. Через время, называемое фазой удара, Т = 2L/c = 2t эта волна достигает задвижки. К этому моменту в трубопроводе восстановится, начальное давление, но жидкость будет продолжать перемещаться в сторону резервуара, стремясь при этом оторваться от задвижки. Вследствие этого только что понизившееся до начального давление будет понижаться и дальше, в трубопроводе могут даже образоваться вакуум и кавитация. Таким образом, у задвижки возникает новая, третья волна — теперь уже волна понижения давления и плотности ниже первоначальных, сопровождаемая постепенной остановкой слоев жидкости. Когда волна спада давления ко времени 3t = 3L/c достигнет резервуара, вся жидкость в трубопроводе будет неподвижна, в "разреженном" состоянии, с пониженным давлением, Равновесие в месте соединения резервуара с трубопроводом опять окажется невозможным, потому что жидкость в резервуаре, имеющая большее давление, станет перемещаться внутрь трубопровода, вызывая этим четвертую волну — волну восстановления давления и сжатия "разреженной" жидкости. К моменту 4t =2Т = 4L/c в трубопроводе восстановится первоначальное давление, первоначальные скорость и плотность жидкости. Если бы к этому моменту задвижка оказалась открытой, гидравлический удар на этом прекратился бы, но, так как задвижка закрыта, гидравлический удар будет повторяться периодически вновь и вновь бесконечно долго, если пренебречь рассеянием энергии. Описанное явление называется положительным гидравлическим ударом. Н.Е.Жуковский в 1898 г. вывел уравнение для определения ударного давления: руд = ρи0с, где ρ - плотность жидкости, и0 - скорость движения жидкости до закрытия задвижки, с - скорость распространения ударной волны (для абсолютно жесткой стенки трубы равна скорости распространения звука в жидкой среде). Позади внезапно закрытой задвижки тоже возникают ударные явления: жидкость, продолжая двигаться, по инерции, отрывается от задвижки, затем возвращается назад и создает повышение давления, аналогичное положительному удару. Это явление называется отрицательным гидравлическим ударом. Под действием переменного давления стенки трубопровода испытывают большие переменные нагрузки и могут претерпеть разрушение. Предотвратить гидравлический удар при использовании запорных приспособлений в трубопроводах, исходя из самого определения гидравлического удара,— нельзя. Можно лишь ослабить действие прямого гидравлического удара и его разрушительные последствия. 1. Для предотвращения прямого гидравлического удара необходимо, чтобы время закрытия задвижки или другого запорного приспособления было больше фазы удара, т. е. tзак > Т = 2L/c. В этом случае повышение давления можно определить по формуле рзак = рудТ/ tзак. Отсюда следует, что запорные приспособления по своей конструкции должны исключать возможность очень быстрого, а тем более мгновенного перекрытия трубопровода. Поэтому в последнее время стараются избегать применения пробочных кранов, а вместо них устанавливают вентили или задвижки. С этой точки зрения при высоком давлении и больших скоростях течения жидкости в длинных трубопроводах целесообразно применение мелкой многовитковой резьбы на шпинделях задвижек или вентилей. 2. Для ослабления вредного влияния гидравлического удара на прочность трубопровода, его стыков и соединений применяют различного типа предохранительные клапаны и воздушные колпаки, устанавливаемые вблизи запорных приспособлений, являющихся источником гидравлических ударов. Предохранительные клапаны и воздушные колпаки амортизируют удары, возникающие в жидкости, удаляя некоторый объем жидкости из трубопровода в момент удара, а также локализуют распространение ударной волны в пределах расстояния от запорного приспособления, являющегося источником гидравлического удара до воздушного колпака или предохранительного клапана.     ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ И НАСАДКИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ Рассмотрим простейший случай истечения идеальной жидкости из отверстия в дне сосуда, полагая, что сосуд открыт (рис. 10). Истечение происходит в атмосферу. Уровень жидкости в сосуде поддерживается постоянным. Пусть истечение происходит через отверстие в дне сосуда, которое расположено в плоскости сравнения II— II. Поверхность уровня расположена в плоскости I—I. Запишем уравнение Бернулли относительно плоскостей I—I и II— II z1 + p1/ρg + и1 2/2g =z2 + p2/ρg+ u22/2g Учитывая, что z1 = h, z2 = 0 (сечение II— принято за плоскость сравнения), р1 = р2, а и1 = 0 в силу того, что уровень I—I в сосуде поддерживается постоянным, представим уравнение Бернулли в виде h = u22/2g. Отсюда следует и2 = (формула Торричелли). Таким образом, скорость истечения жидкости из отверстия в дне сосуда при условии, что уровень в сосуде поддерживается постоянным, определяется ускорением свободного падения и высотой уровня жидкости в сосуде.   Рис. 10. Схема к определению скорости истечения жидкости из отверстия Если р1 ≠ р2 то уравнение Бернулли примет вид h + p1/ρg = p2/ρg + u22/2g. Так как p1 - р2 = р — избыточное давление, то u2= Следовательно, скорость истечения жидкости из резервуара зависит от глубины погружения отверстия под уровень свобод­ной поверхности и от разности давлений, которые испытывает жидкость на поверхности в резервуаре (р1) и в среде, куда про­исходит истечение (р2). ИСТЕЧЕНИЕ РЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ В производстве по условиям технологии между заводскими станциями приходится транспортировать большие количества жидкостей различной вязкости. В соответствии с технологической схемой производства этими продуктами периодически заполняются различные аппараты и резервуары, которые впоследствии опорожняются. Кроме того, в некоторых отраслях промышленности: пивоваренной, молочной, ликероводочной и других, готовую продукцию разливают в различную посуду. Все эти операции производятся зачастую в условиях истече­ния жидкости из отверстий и коротких труб. Для расчета расхо­да таких отверстий нельзя пользоваться зависимостями, выведенными ранее для идеальной жидкости. При истечении из отверстий реальных жидкостей возникают своеобразные местные гидравлические сопротивления, влияющие на скорость истечения жидкости и расход. В гидравлике различают истечение из отверстия в тонкой и толстой стенках. Тонкой называют стенку, которая образует у отверстия заостренную кромку. При этом толщина стенки у отверстия должна быть настолько малой, чтобы не оказывать на струю никакого влияния, кроме самого размера отверстия. К тонким обычно относят стенки толщиной s<0,2d (при круглых отверстиях). Толстой называют стенку, толщина которой более 3,5 харак­терных размеров отверстия в ней. Форма, относительные размеры и характер струй при истечении из отверстий в тонких и толстых стенках отличаются друг от друга. Так, при истечении из отверстия в тонкой стенке (рис. 11, а) наблюдается сжатие струи при прохождении жидкости через отверстие. Наиболее сжатое сечение располагается за отверстием, примерно, на расстоянии 0,5 6, от наружной поверхности стенки. Если толщина стенки 3,5d0,1H, где Н— напор над отверстием.         Рис. 11 . Истечение жидкости через отверстие в тонкой (а) и толстой (б) стенках ИСТЕЧЕНИЕ РЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ МАЛЫЕ ОТВЕРСТИЯ В ТОНКОЙ СТЕНКЕ Определим скорость истечения жидкости через малое отверстие в тонкой стенке, при условии, что в резервуаре поддерживается постоянный уровень Н Будем считать, что резервуар открыт и истечение происходит в атмосферу (рис. 12, а). Составим уравнение Бернулли для двух сечений I—I и II—П. Учитывая, что сечение I—I совпадает с поверхностью жидкости в резервуаре, а сечение II—П проходит через сжатое сечение струи, которое в центре пересекается осью отверстия 0—0 запишем z1 + p1/ρg + а1 u1 2/2g = z2 + p2/ρg +а2 uz2/2g + hm В этом уравнении z1 =h, z2= 0, р1 = р2, u1 = 0, hm = ζ u22/2g, Тогда h = a2u2 2/2g + ζ,u22/2g = (а2+ ζ)u22/2g, a а б Рис. 12. Истечение жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при поддержании постоянного уровня в резервуаре для случаев открытого резервуара (а) и под давлением выше атмосферного (б) Величину , корректирующую значение действительной скорости реальной жидкости относительно теоретической скорости идеальной жидкости, называют коэффициентом скорости и обозначают . Следовательно, скорость реальной жидкости при истечении из отверстия для открытого резервуара определяется величиной а для закрытого резервуара с избыточным давлением В этих формулах коэффициент скорости φ представляет собой отношение действительной скорости при истечении из отверстия реальной жидкости к теоретической скорости, выведенной для идеальной жидкости. В практических расчетах для определения расхода реальной жидкости через отверстие пользуются формулой где коэффициент расхода (ε - коэффициент сжатия струи, равный отношению площади отверстия - Fo к площади сечения сжатой струи). СОВЕРШЕННОЕ, НЕСОВЕРШЕННОЕ И НЕПОЛНОЕ СЖАТИЕ СТРУИ Характер истечения жидкости из малых отверстий в тонкой стенке рассмотрен при условии, что при течении жидкости через отверстие к нему направляются струйки жидкости, расположенные в резервуаре не только против самого отверстия, но и в стороне от него. Вследствие этого происходит скрещивание траекторий струек, обусловливающее сжатие струи при выходе из отверстия. Такая картина истечения наблюдается в том случае, если внутри резервуара нет близко расположенных к отверстию стенок. Здесь струйки и их направления формируются произвольно под влиянием свободного протекания частиц жидкости из резервуара вследствие освобождения пространства у отверстия вытекающей струёй. При этом условия сжатия струи одинаковы со всех сторон. Такое сжатие струи называется совершенным. Если же вблизи от отверстия расположена стенка, то она оказывает направляющее действие на частицы жидкости, движущиеся к отверстию (рис. 13, а). Чем ближе стенка к кромкам отверстия, тем ее направляющее действие больше, а сжатие струи менее совершенно. В таких случаях говорят о несовершенном сжатии струи. Несовершенство сжатия струи возникает в том случае, если расстояние от стенки до ближайшей кромки отверстия становится меньше трех диаметров круглого отверстия или утроенной длины соответствующей стороны некруглого отверстия. Если в какой-либо части периметра отверстия стенка непосредственно примыкает к нему, то по этой части периметра сжатия струи вообще не происходит (рис. 13, б, в). Такую струю называют струёй с неполным сжатием. Неполнота сжатия приводит как бы к прилипанию струи к направляющей стенке. Это свойство струи используется в про­изводственной практике для приближения вытекающей струи к стенке (рис. 13, в) резервуара или, наоборот, для ее отдаления (рис, 13, б).       а б в Рис. 13. Истечение жидкости при несовершенном и неполном сжатии струи. Расход жидкости через отверстие в тонкой стенке при несовершенном или неполном сжатии струи немного больше, чем при совершенном сжатии. Поправку на несовершенство или неполноту сжатия струи учитывают при определении коэффициента расхода д. С этой целью пользуются эмпирическими зависимостями, которые приводятся в справочниках по гидравлике. ИСТЕЧЕНИЕ РЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ БОЛЬШИЕ ОТВЕРСТИЯ Истечение жидкости через большие отверстия в вертикальной стенке резервуара имеет некоторые особенности. Под большим условно понимают такое отверстие, высота которого a > 0,1h, где h — напор над центром отверстия (рис. 14, а). В этом случае нельзя пренебречь различием статического напора над разными точками сечения отверстия, даже при поддержании постоянного уровня жидкости в резервуаре над центром тяжести отверстия. Что касается истечения жидкости из больших отверстий в дне резервуара при поддержании постоянного уровня в нем (рис. 14, б), то условия истечения зависят от соотношения площадей отверстия и сечения резервуара. С увеличением Ро/Рр начинает сказываться направляющее действие стенок резервуара на вытекающую струю. Сжатие струи становится несовершенным и коэффициент расхода увеличивается по сравнению с коэффициентом расхода для малого отверстия. Для определения расхода жидкости через большое отвер­стие по формуле Q = необходимо подобрать соответ­ствующее значение коэффициента расхода μ. Академик Н. Н. Павловский рекомендует для приближенных расчетов расхода жидкости через большие отверстия принимать следующие значения коэффициента расхода μ. Отверстия средних размеров со сжатием струи со всех сторон, при отсутствии направляющих стенок 0,65. Отверстия больших размеров с несовершенным, но всесторонним сжатием 0,70. Донные отверстия без сжатия по дну, но со значительным влиянием бокового сжатия 0,65— 0,70. Донные отверстия с умеренным влиянием бокового сжатия 0,70—0,75. Донные отверстия с плавными боковыми подходами 0,80—0,85.               Рис. 14. Истечение жидкости через большие отверстия с прямоугольным сечением в боковой стенке (а) и в дне резервуара (б)   ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Гидравлическими машинами называются устройства, которые служат для преобразования механической энергии двигателя в энергию перемещаемой жидкости (насосы) или для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию (гидравлические двигатели). Гидравлические машины подразделяются на три основных класса: насосы, гидродвигатели и гидропривод. Они различаются по своим энергетическим и конструктивным признакам, но общим для них является то, что в качестве рабочего тела используется жидкость. В современном народном хозяйстве и промышленности широко используется большой парк гидравлических машин, работа которых состоит во взаимном преобразовании энергии жидкости и механической энергии, в транспортировке жидкости и в передаче усилий с помощью жидкости внутри машин, механизмов и между различными устройствами. К гидравлическим машинам относятся насосы, гидравлические двигатели (гидравлические турбины и гидромоторы) и гидропередачи (гидроприводы). Наиболее многочисленный класс гидравлических машин составляют насосы. По характеру силового воздействия насосы разделяют на динамические и объемные. К динамическим насосам относятся лопастные, центробежные, осевые, вихревые, струйные. К объемным — поршневые, плунжерные, диафрагменные, роторные и др. К гидравлическим насосам также относятся некоторые специальные устройства, служащие для подъема и перемещения жидкостей: а) гидравлические тараны, работа которых основана на принципе использования давления, получающегося при гидравлическом ударе; б) водоструйные насосы, в которых подъем и перемещение жидкости происходит за счет использования кинетической энергии струи; в) эрлифты — устройства, в которых в результате нагнетания воздуха в скважины создается разность объемных масс в столбе эмульгированной поднимаемой жидкости и в массе жидкости, окружающей этот столб. Гидравлические двигатели, как и насосы, подразделяются на машины объемного и динамического действия. К объемным относятся гидравлические цилиндры, роторные гидромоторы. К динамическим — турбины, водяные колеса. Гидродвигатели находят широкое применение в различных областях техники: в гидроэнергетике (гидравлические турбины, которые вырабатывают в стране около 20% электроэнергии), в нефтедобыче и горном деле (буровые установки, снабженные турбобурами), на транспорте (гидроцилиндры, гидромоторы) и т. д. Гидропривод состоит из трех основных элементов: гидропередачи, устройства управления и обслуживающего устройства. Силовой частью гидропривода является гидропередача, состоящая из насоса и гидродвигателя. Следовательно, гидропередачи также делятся на два вида: динамические и объемные. К динамическим относятся гидродинамические муфты и гидродинамические трансформаторы, а к объемным — различные комбинации объемных насосов и гидродвигателей. Назначение гидропередач такое же, как и механических (муфты, коробки скоростей, редукторы), однако по сравнению с механическими они имеют ряд преимуществ. В современной технике используются гидромашины различных типов. Наибольшее распространение получили объемные и лопастные насосы и гидродвигатели. Некоторые конструкции насосов обладают свойством обратимости, т. е. способностью работать в качестве гидродвигателей при подводе к ним жидкости под давлением. К ним относятся, в частности, роторные насосы. Широкое применение имеют гидросистемы с двигателями прямолинейного, поворотного и возвратно-поступательного движений в современных автоматизированных поточных линиях, в различных роботах и манипуляторах.   ТИПЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ НАСОСОВ Наиболее распространенным видом гидромашин являются насосы—машины, предназначенные для повышения давления и перемещения жидкости. Насосы применяются в различных отраслях народного хозяйства и имеют весьма разнообразное назначение. Наряду с обширным парком водяных насосов, обслуживающих водопроводы, системы охлаждения промышленных печей и т.д., существуют насосы, откачивающие воду из шахт, колодцев, насосы для перекачивания агрессивных жидкостей, смесей жидкостей с твердыми веществами (пульпа), подачи смол, масел, нефтепродуктов и других густых жидкостей. Конструктивное исполнение насосов зависит от их назначения. Так, детали насосов, соприкасающиеся с агрессивными жидкостями, изготавливаются из керамики, пластмассы и других материалов, устойчивых против разъедания; детали пульпонасосов (углесосов, землесосов) выполняются из износоустойчивых материалов, футеруются ими (например, наплавляются высокопрочными сталями и сплавами). По принципу действия насосы делятся на объемные и динамические {лопастные). В объемных насосах подача жидкости и повышение давления происходит за счет вытеснения ее из рабочего объема движущимся рабочим органом. В динамических (лопастных) насосах рабочий орган сообщает жидкости кинетическую энергию. Рис. 16. Схема насосной установки. Рассмотрим насосную установку, изображенную на рисунке 16. Под воздействием разрежения, создаваемого насосом на всасывании, жидкость через фильтрующую сетку входит во всасывающий трубопровод и поднимается по нему на высоту hвс до входного патрубка и входит в насос со скоростью с1 и давлением р1. В насосе давление жидкости повышается до р2 и она через нагнетательный патрубок со скоростью с2 поступает в напорный трубопровод и подается на высоту h в напорный резервуар, где на свободной поверхности скорость Vh = 0 и давление рн. Разрежение на входе в насос измеряется вакуумметром V, а давление на выходе — манометром М. Напором насоса называется приращение удельной энергии, сообщаемое насосом, нагнетаемой жидкости: Н = е2 – е1 где е2 и е1 — удельная энергия жидкости на входе в насос и на выходе из него. Напор, развиваемый насосом, расходуется на преодоление разности давления в объемах всасывания и нагнетания, на подъем жидкости на полную геометрическую высоту и на преодоление сопротивлений во всасывающем и нагнетательном трубопроводах. Подачей или производительностью насоса называется количество жидкости, подаваемое им в единицу времени и обозначается Q (м3/с). Теоретическая подача Qт = Q + ΔQ, где ΔQ — утечки жидкости из насоса. Объемный КПД: η0= Q/Qт. При движении жидкости через насос возникают гидравлические потери, учитываемые гидравлическим КПД: η = Н/Нт . Мощность, которой обладает жидкость, покидая насос, называется действительной мощностью: NТ = ρgHQ (кВт). Мощность двигателя, приводящего в движение насос, определится как: N = Nт /η , где η полный КПД насоса, учитывающий объемные, гидравлические и механические потери. ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ В объемных насосах подача жидкости и повышение давления происходит за счет вытеснения ее из рабочего объема движущимся рабочим органом. В поршневом насосе (рис. 17) возвратно-поступательно двужущийся поршень 1 вытесняет жидкость из цилиндра 2 через открывающийся при этом нагнетательный клапан 4. При обратном ходе поршней в цилиндре создается разрежение и жидкость всасывается в цилиндр через всасывающий клапан 3. Из всех видов насосов поршневые создают наибольше давление, достигающее 100 МПа и более. Их производительность не превышает 2—3 м3/мин (крупные стационарные установки).     Рис. 17.Схема поршневого насоса ШЕСТЕРЕНЧАТЫЕ НАСОСЫ Основными рабочими органами шестеренчатого насоса являются две шестерни. Одна из них жестко посажена на приводном валу и вращается вместе с валом, а другая — вращается за счет зацепления с первой (рис. 18). Жидкость переносится со всасывающей стороны на нагнетательную во впадинах между зубьями шестерен, плотно охватываемых кожухом насоса. Для большей эффективности работы такого насоса необходимо, чтобы зацепление шестерен было плотным. В противном случае жидкость будет переходить из области нагнетания в область всасывания. Поэтому по мере износа зубчатых колес объемный КОД насоса падает. Шестеренчатые насосы находят применение в различных областях техники. Они способны создавать достаточно высокие давления и применяются в системах смазки двигателей внутреннего сгорания, в различных гидроприводах.   Рис. 18. Схема шестеренчатого насоса     Подача шестеренчатых насосов может быть определена зависимостью: Q = ηqzn/30 q — объем впадины между зубьями, z — количество впадин, n — частота вращения, η — объемный КПД (обычно равен 0,7 — 0,8).     ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ Центробежные насосы относятся к группе лопастных насосов. В центробежном насосе (рис. 19) на жидкость, заполняющую каналы между лопастями колеса 2 и вращающуюся вместе с ним, действует центробежная сила и отбрасывает ее от центра колеса на периферию, создавая повышенное давление на периферии и разрежение в центре. Благодаря этой разности давления все новая и новая жидкость засасывается через центральное отверстие / колеса и выбрасывается с его периметра в сборную камеру (улитку) 3, откуда через нагнетательный патрубок 4 поступает к потребителю. Одноколесные центробежные насосы могут создавать давление не свыше 0,5 —1 МПа, многоколесные — до 15 — 20 МПа Производительность центробежных насосов доходит до 200 м3/мин. Рис. 19. Схема центробежного насоса. Устройство центробежного насоса Наиболее простой конструкцией, включающей, однако, все основные элеменгы этого типа насосов, является одноколес­ный центробежный насос (рис. 20). Лопастное колесо насоса помещено в литом спиральном кожухе 2. Вышедшая из лопастного колеса жидкость, пройдя спиральную камеру 3, выводится из насоса через нагнетательный патрубок 9. В месте сопряжения вращающегося колеса с неподвижным корпусом для уменьшения утечек через зазор делается лабиринтное уплотнение 4, а иногда и сальник. Сопряжение вала и корпуса также уплотняется сальником 5, который смазывается водой, подводимой по трубке или по каналу в корпусе. Вал насоса 8 вращается на двух опорах, чаще всего одна из них — бронзовая или пластмассовая (текстолитовая) втулка б, запрессованная в корпус, вторая — выносной подшипник качения 7. Лопастное колесо отливается из стали, чугуна или бронзы, при нагнетании агрессивной жидкости — из кремнистого чугуна, высоколегированной стали, пластмассы или керамики. Чрезмерная окружная скорость конца лопастей может вызвать разрыв колеса центробежной силой, поэтому скорость ограничивается: для чугуна она не превышает 40—50 м/с, для стали—60—80 м/с. Уменьшение скорости ограничивает напор, который можно получить от одного колеса: он не превышает 100 м вод. ст. Для получения больших напоров строятся многоколесные насосы, в которых жидкость по каналам, выполненным внутри корпуса, перетекает от колеса к колесу, каждый раз получая новое приращение напора. Корпус насоса делается литым, из чугуна, в насосах высокого давления — из стали. Корпус имеет разъемы — вертикальные в плоскости, перпендикулярной оси вала, и горизонтальный — в плоскости, проходящей через ось вала. Внутренняя поверхность корпуса насосов, перекачивающих смесь жидкости и твердых частиц (гидрозолоудаление, пульпонасосы, углесосы), одевается бро­ней из высокомарганцовистой стали или гуммируется (покры­вается резиной). Корпуса насосов для агрессивных жидкостей отливаются из хромоникельмолибденовой стали. Весьма пер­спективным и экономичным является покрытие проточной части корпуса полимерными материалами (эпоксидными смолами), что позволяет экономить высоколегированные стали. Перед пуском насос и всасывающий Трубопровод заполняются жидкостью через специальную воронку в верхней части кор­пуса или с помощью специального вакуум-насоса, в насосе создают разрежение, достаточное для начального подсоса жидкости. Рис. 20. Продольный разрез одноколесного центробежного насоса   ОСЕВЫЕ НАСОСЫ Осевые насосы иногда называют пропеллерными насосами. Лопасти осевого насоса (рис. 21) представляют собой часть винтовой поверхности, поэтому при вращении колеса они как бы ввинчиваются в жидкость и заставляют ее перемещаться вдоль оси вращения. Сечение лопастей имеет обтекаемую форму крыла самолета. Осевые насосы создают сравнительно малое давление до 0,5 МПа, но зато имеют большую производительность до 1—1,5 тыс. м3/мин. Рис. 21. Схема осевого насоса РАБОТА НАСОСА НА СЕТЬ Условия эксплуатации насоса определяются гидравлически­ми особенностями насосной установки, на которой он работает. В общем случае насос включается в систему трубопроводов, соединяющих приемный резервуар 9 (рис. 22), откуда жидкость забирается, с входным патрубком насоса б, а выходной патрубок с напорным резервуаром 1, в который жидкость подается. Насос приводится в движение от двигателя 7. Всасывающий трубопровод 10, напорный 2, регулирующая 5 и монтажная 11 задвижка, приемный (обратный) клапан 8, манометр 4, мановакуумметр 12 являются обязательными элементами насосной установки. Задвижка 5 предназначена для регулирования подачи, а задвижка 11 предусмотрена для ремонтных работ. Приемный клапан 8 чаще всего совмещается с защитной сеткой (фильтром), предохраняющей насос от попадания твердых тел, и служит для заполнения насоса и всасывающей линии жидкостью перед пуском. Рис.22. Схема работы насоса на сеть. Для перемещения жидкости из приемного резервуара в на­порный необходимо затрачивать энергию на подъем жидкости на высоту hг, преодоление разности давлений (р" — р') в резервуарах и преодоление суммарного гидравлического сопротивления, которое складывается из потерь по длине и на местные сопротивления в трубопроводах. Сопротивления можно выразить по формулам гидравлики и представить после суммирования в виде Σhп = KcQ2, где Кс — коэффициент сопротивления трубопроводов насосной установки. Таким образом, энергия, необходимая для перемещения единицы веса жидкости из приемного в напорный резервуар, или потребный напор насосной установки: H=hг+(p"- p')/ρg + Σhп. Зависимость потребного напора от расхода в трубопроводе называется характеристикой насосной установки или сети. Насос данной насосной установки работает на таком режиме, при котором потребный напор установки равен напору насоса. Для определения режима работы следует на одном и том же графике в одинаковых масштабах построить характеристику насосной установки и напорную характеристику насоса ( рис. 19.6). Пересечение характеристик в точке А определит напор и подачу насоса, при этом точку А называют рабочей. Для обеспечения экономичности насосной установки рабочая точка должна лежать в области высоких КПД. Для каждого насоса на его характеристике можно выделить область со значе­ниями КПД ниже максимального на 5 ... 10 %, которая назы­вается рабочей зоной насоса.   ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ В механике известен так называемый принцип обратимости движения, согласно которому при обратном приложении сил будет осуществляться обратное движение, то есть насос при подаче в него жидкости превратится двигатель. Гидравлическим двигателем называется гидравлическая машина, в которой гидравлическая энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию. Гидродвигатели, как и насосы, могут быть объемного и динамического действия. Объемные гидродвигатели преобразуют энергию давления жидкости в механическую энергию движущихся элементов и известны как силовые гидроцилиндры и гидромоторы. Динамические гидравлические двигатели, которые преобразуют энергию потока жидкости в механическую энергию вращения вала, называются турбинами. Объемные гидравлические двигатели Рис. 20. Схемы силовых цилиндров: а — одностороннего действия; б — двустороннего действия   Силовые цилиндры подразделяются на два типа: одностороннего и двустороннего действия. Поршень силового цилиндра одностороннего действия движется под воздействием давления жидкости лишь в одном направлении, а возвращается в исходное положение под воздействием пружины или собственного веса (рис. 20, а). В силовой цилиндр двустороннего действия жидкость попеременно подается в полости по ту или другую сторону поршня, чем и достигается его возвратно-поступательное движение (рис 20, б). Без учета потерь движущие усилия, создаваемые жид­костью в бесштоковой Рд и штоковой Рщ полостях, опреде­ляются уравнениями: Рб =pD2/4; Рш=p(D2-d2)/4, где р—давление рабочей жидкости; D, d — диаметры поршня и штока. Действительное усилие с учетом потерь на трение определяется по формуле Р = Pб(шi) ηм, где ηм = 0,92—0,98— механический КПД силового цилиндра. Скорость движения поршня V = Q η0 /F, где Q — расход жидкости; η0 = 0,98 — 0,99 — объемный КПД силового цилиндра; F— площадь поршня (с учетом или без учета наличия штока). Усилие, создаваемое жидкостью при подаче ее в бесштоковую полость, больше, а скорость поршня меньше, чем при подаче в штоковую область, поэтому первый случай исполь­зуется для совершения рабочего хода инструмента. Отвод ра­бочего органа происходит при подаче жидкости в штоковую область, т. е. с большей скоростью, но с меньшим усилием. Роторные гидродвигатели по конструкции подразделяются на аксиально-поршневые, радиально-поршневые, шестеренные и пластинчатые. В зависимости от частоты вращения и развиваемого момента они подразделяются на быстроходные (низкомоментные) и тихоходные (высокомоментные). Скорость вращения тихоходных не превышает 150—200 об/мин, и они создают момент не менее 150 кгсм (1500 Ем). В качестве низкомоментных гидродвигателей могут использоваться аксиально-поршневые, шестеренные и пластинчатые насосы. К высокомоментным относят радиально-поршневые и пластинчатые гидродвигатели. Рис. 21. Схема радиально-поршневого гидродвигателя ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ГИДРОТУРБИН Гидравлические турбины являются машинами-двигателя­ми, в которых энергия потока жидкости преобразуется в ме­ханическую энергию. Поток жидкости направляется тем или иным способом на рабочее колесо турбины, где, воздействуя на его лопасти, приводит колесо во вращение. На валу колеса создается крутящий момент, который используется для при­ведения в движение механизмов. Чаще всего вал турбины не­посредственно соединен с валом электрического генератора и выработанная им электрическая энергия направляется для дальнейшего использования. По принципу действия турбины делятся на активные и реактивные. Рис. 22. Схема ковшовой турбины   Активные турбины выполняют в основном ковшовыми (рис. 22). Колесо 1 представляет собой диск, на окружности которого закреплены ковши. Вода подводится по напорному трубопроводу 3 к соплу 2, представляющему собой сходящийся насадок, и выходит из него с большой скоростью в виде струи. Струя натекает на ковши колеса и приводит его во вращение. Мощность турбины регулируется иглой 4, перемещающейся внутри сопла в осевом направлении. При перемещении иглы изменяется расход воды. Как правило, ковш состоит из двух чаш (а и б), разделенных средним заостренным ребром 6, на которое и поступает струя. Растекаясь по чашам, струя поворачивает почти на 180°, и сила ее взаимодействия с ковшом максимальная. Ковшовые турбины применяют при напорах до 1700 м. Реактивные турбины делятся на радиально-осевые и осевые (пропеллерные), которые отличаются от радиально-осевых, в основном, типом турбинного колеса. В радиально-осевых турбинах колесо центростремительное, в осевых — осевое. Рис. 23. Радильно-осевая турбина Рис. 24. Осевая турбина В радиалъно-осевой турбине, например распространенней системы Френсиса, вода через направляющий аппарат поступает в рабочее колесо радиально по всему периметру одновременно на все лопасти. Схема гидротурбины показана на рис. 23. В спиральную камеру 1 и лопастное колесо 3 жидкость поступает с верхнего бьефа (УВБ). Отдавая энергию, жидкость приводит во вращение вал 4. Перед колесом установлен неподвижный аппарат 2. Жидкость в колесе движется от периферии к центру (центростремительное колесо), после колеса через отсасывающую трубу 5 сливается в нижний бьеф (УНБ). Внутри колеса направление потока меняется на 90° и вода покидает колесо в осевом направлении и отводится отсасывающей трубой. Форма каналов колеса такова, что скорость движения воды за счет уменьшения избыточного давления возрастает к выходу из колеса, в результате чего создается реактивная сила Pp. Кроме того, при обтекании лопастей вода создает также активную силу давления Ра. Общая сила воздействия потока на лопасти реактивной турбины складывается из двух составляющих — реактивной и активной. Регулирование мощности этих турбин производится поворотом лопаток направляющего аппарата. Турбины описанного типа применяются при напорах 25—300 м вод. ст. Осевые турбины (рис. 24) применяют при малых напорах (до 80 м). Их можно выполнять с поворотными лопастями (поворотно-лопастные турбины). Кроме лопастного колеса основными элементами являются направляющий аппарат 2 и отсасывающая труба 4. Направляющий аппарат 2 представляет систему лопастей, установленных под определенным углом. Совместно с турбинной камерой 1 он сообщает воде окружную составляющую скорости. Кроме того, направляющий аппарат служит для регулирования мощности гидротурбины путем поворота лопастей вокруг своих осей. При повороте лопастей изменяется направление потока и, следовательно, меридиональ­ная скорость, расход воды и мощность турбины. При закрытии направляющего аппарата расход воды прекращается, и гидротурбина останавливается. От рабочего колеса 3 вода отводится по отсасывающей трубе 4, имеющей диффузорную форму. Отсасывающая труба служит для использования части кинетической энергии воды, выходящей из рабочего колеса, и использования напора, равного высоте отсасывающей трубы от уровня нижнего бьефа. Использование напора, и кинетической энергии воды на выходе из колеса происходит за счет вакуума, возникающего за лопастным колесом. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ГИДРОПРИВОДА   Гидроприводом называется совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин посредством жидкости. Основой любого гидропривода являются насос, сообщающий жидкости энергию, и гидродвигатель, преобразующий эту энергию в механическую, используемую далее для привода различных механизмов. Насос и гидродвигатель, соединенные между собой трубопроводами, по которым транспотируется жидкость (носитель энергии), образуют гидропередачу. Для создания необходимых, условий перемещения механизмов, приводимых в движение гидродвигателем, в гидроприводе предусматриваются различные управляющие (распределительные и регулирующие) и контролирующие устройства. Кроме того, для обеспечения продолжительной и надежной работы в состав гидропривода входят различные вспомогательные устройства (баки, фильтры, предохранительные клапаны, аккумуляторы и т.д.). По принципу действия гидроприводы делятся на объемные и гидродинамические. Объемным гидроприводом называется гидравлическая система, в которой в качестве гидравлической передачи применяются насосы и гидродвигатели объемного действия. Работа объемного гидропривода основана на использовании свойства несжимаемости капельной жидкости и передачи давления по закону Паскаля. Примером объемного гидропривода простейшей конструкции может служить гидравлический пресс. Гидродинамическим приводом называется гидравлическая система, в которой в качестве гидравлической передачи применяются лопастные насосные и турбинные колеса, расположенные соосно на предельно близком друг от друга расстоянии. Перенос энергии от ведущего звена в ведомому осуществляется потоком жидкости, а крутящий момент передается в результате изменения момента количества движения рабочей жидкости в рабочих колесах. При этом ведущий и ведомый валы механически не связаны между собой. Благодаря этим особенностям гидродинамический привод чаще называют гидродинамической передачей. Объемные гидроприводы подразделяются по виду источника энергии на три типа: 1.Насосный гидропривод — гидропривод, использующий для подачи рабочей жидкости насосы объемного действия. Насос гидропривода может приводиться в движение электро­двигателем, турбиной, дизельным, карбюраторным двигателями, двигателем внутреннего сгорания и др. 2.Аккумуляторный гидропривод—гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель от предвари­тельно заряженного гидроаккумулятора. Такие гидроприводы используются в системах с кратковременным рабочим циклом. 3. Магистральный гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель от гидромагистрали, питающей от насосной станции одновременно несколько гидроприводов. В объемных гидропередачах обычно применяются ротор­ные насосы — аксиальные, радиальные, пластинчатые, шестеренные. В качестве двигателей применяются поршневые силовые цилиндры и роторные гидромоторы. Возможны различ­ные сочетания насосов и гидродвигателей перечисленных типов. Несмотря на разнообразие систем гидроприводов, все они выполняются по одной из трех принципиальных схем. В открытой системе отработанная жидкость из двигателя сливается в бак, откуда насосом вновь подается в систему. В закрытой системе отработанная жидкость из двигателя поступает непосредственно на всасывание в насос. Утечки жидкости восполняются насосом подкачки. Производительность насоса рассчитывается с некоторым запасом, и избыток жидкости сливается в бак через переливной клапан. Для нормальной работы системы необходимо, чтобы количество жидкости, нагнетаемое насосом, равнялось количеству, подводимому на всасывание. Это, в частности, выполняется в случае сочетания роторного насоса с роторным двигателем или с силовым цилиндром со сквозным штоком. Дифференциальная система занимает промежуточное положение между открытой и закрытой системами и может применяться тогда, когда рабочие объемы левой и правой полостей силового цилиндра не одинаковы. Тогда при ходе поршня влево излишняя жидкость через клапан поступает в резервуар. При ходе поршня вправо левая полость должна получить больше жидкости, чем выйдет из правой полости, поэтому недостающая жидкость подсасывается насосом из резервуара. Закрытые системы сложнее, в них труднее осуществить очистку и охлаждение жидкости, но они компактны, масло в них менее подвержено окислению в связи с отсутствием от­крытого резервуара и невозможностью попадания в систему воздуха. Кроме того, благодаря подкачке давление на всасы­вании в насос больше атмосферного, кавитации не бывает, насос может работать на больших оборотах. По характеру движения выходного звена различают гидроприводы поступательного, поворотного и вращательного движения. Гидроприводы бывают регулируемые и нерегулируемые. По способу регулирования скорости гидроприводы делят на три типа: 1. С дроссельным регулированием, когда для регулирования скорости производится дросселирование потока рабочей жидкости и часть потока отводится, минуя гидродвигатель. 2. С объемным регулированием, когда регулирование скорости производится в результате изменения рабочих объемов насоса или гидродвигателя. 3. С объемно-дроссельным регулированием, когда регулирование скорости осуществляется одновременно двумя способами. Если скорость выходного звена гидропривода поддерживается постоянной и не зависит от внешних воздействий, то гидропривод называется стабилизированным. Если скорость выходного звена изменяется по определенному закону в зависимости от задающего воздействия, то гидропривод называется следящим. Жидкость, применяемая в гидроприводах в качестве рабочего тела, одновременно является смазывающим и охлаждающим агентом, обеспечивает защиту деталей от коррозии и надежную работу всех узлов гидропривода. В связи с этим рабочая жидкость должна отвечать определенным требованиям: иметь хорошие смазывающие свойства, малое изменение вязкости в диапазоне рабочих температур, малую упругость паров и высокую температуру кипения. Она должна быть нейтральной к материалам гидравлических систем и их защитным покрытиям; иметь высокую механическую стойкость, стабильность характерис­тик в процессе хранения и эксплуатации; быть пожаробезопасной, нетоксичной, иметь хорошие диэлектрические свойства. В наибольшей степени этим требованиям отвечают различные минеральные масла: индустриальное, турбинное, веретенное, трансформаторное и др. Для обеспечения нормальной работы гидропривода в условиях низких температур, например в условиях Крайнего Севера и Сибири, применяются морозостойкие жидкости. Это, как правило, смеси масел с глицерином и спиртом, у которых температура застывания ниже —60 °С. Гидроприводы и гидропередачи находят широкое применение в различных областях техники. Это объясняется рядом достоинств, которыми обладают гидроприводы: получение больших сил и мощностей при малых размерах и весе механизма; получение различных видов движения, возможность частых и быстрых переключении; возможность больших перегрузок по мощности и моменту без вредных последствий этих перегрузок; возможность автоматизации и дистанционного управления; простота кинетической схемы по сравнению с механическим приводом; самосмазываемость элементов, что исключает операцию смазывания. Вместе с тем гидроприводу и гидропередачам присущи некоторые недостатки: потери части энергии при ее передаче, превышающие потери в электропередачах; зависимость эксплуатационных характеристик от температуры, в результате чего при больших сопротивлениях возможен перегрев гидропривода и нарушение устойчивости его работы; утечки рабочей жидкости (внутренние и наружные), снижаю­щие КПД; по мере выработки технического ресурса этот фактор может сделать гидропривод неработоспособным. Достоинства гидропривода и гидропередач столь велики, что, несмотря на указанные недостатки, они незаменимы в различных машинах и механизмах. Отделение в гидроприводе источника энергии (насоса) от исполнительного органа (гидродвигателя) позволяет заменить сложную механическую трансмиссию, что является его важ­ным преимуществом перед гидродинамическими передачами. Гидропривод легко управляется и автоматизируется, позволяет несложными изменениями параметров жидкости получать заданные бесступенчатые изменения скоростей и ускорений исполнительных органов, усилий и крутящих моментов, дает возможность создавать следящие системы. Эти важные свойства гидропривода являются причиной все более широкого распространения его в станкостроении, транспортном и сельскохозяйственном машиностроении, ме­таллургии и энергетике. Повышение уровня автоматизации технологических процессов в машиностроении в значительной степени базируется на применении гидропривода и средств гидроавтоматики. Благодаря своему малому удельному весу гидропривод во многих областях вытесняет электропривод. Вес систем гидропривода обычно на 20—30% меньше веса аналогичных электрических установок. Кроме того, гидропри­вод обладает значительно большим быстродействием, чем электромеханические системы. Так, время срабатывания элек­тромеханического реле составляет 0,01—0,02 с, а гидравличе­ского реле-золотника — 0,005—0,01 с. Гидравлические устройства позволяют создавать усилия, в сотни раз превосходящие усилия, развиваемые электриче­скими устройствами тех же размеров. Электрический соленоид диаметра 150 мм создает на штоке усилие не более 500—600 Н, а на штоке пидроцилиндра такого же диаметра можно получить усилие 100000 Н. Гидродинамические передачи В общем случае лопастные насос и турбина являются обратимыми машинами и могут работать как в насосном, так и в турбинном режимах. Гидравлическая передача, передающая механическую энергию с одного вала на другой с использованием лопастных насоса и турбины, называется гидродинамической. Если в гидродинамической передаче (ГДП) соединить центробежный насос и гидротурбину трубопроводами, то КПД передачи будет низким (рис, 25), так как жидкость от насоса 1 по напорному трубопроводу 2 по­ступает в спиральную камеру турбины 3 и далее по трубопроводу 5 ко входу в насос с большими гидравлическими потерями. Так как входной б и выходной 4 валы жестко не связаны, они имеют различные моменты и угловые скорости. Для всех элементов передачи характерны потери энергии, поэтому мощность на валу 4 значительно меньше мощности на валу 6. Уменьшить потери можно, сблизив лопастные колеса в одном компактном агрегате и избавившись от промежуточных устройств — трубопроводов, спиральных камер, отводов и диффузоров. Такие ГДП имеют высокий КПД: η = 87 ... 98 %. ГДП, состоящая из двух лопастных колес — насосного 1 (Н)и турбинного 2 (Т) — называется гидродинамической муфтой (гидромуфтой, ГДМ) (рис. 26). Насосное колесо соединено с входным валом 5, а турбинное — с выходным 4. Колеса расположены в корпусе ротора 3, соединенном с насосным колесом фланцем. Лопасти в колесах находятся между двумя торцовыми поверхностями, образующими рабочую полость гидромуфты. К входному валу ГДМ приложен крутящий момент М1 от двигателя, а к выходному — момент М2 сопротивления приводимой машины. В корпусе за наружным торцом турбины находится жидкость и возникает момент трения Мтр , который, однако, меньше передаваемого момента. Если пренебречь величиной Мтр р, то можно считать, что в гидромуфте М1 = М2. Гидродинамическая передача (рис. 27), содержащая насосное 3 (Н), турбинное 2 (Т) колеса и неподвижный реактор 6 (Р), называется гидродинамическим трансформатором (ГДТ, гидротрансформатором). Реактор 6 соединен с неподвижным корпусом 5 и участвует в динамическом взаимодействии с потоком жидкости, изменяя его направление. При этом взаимодействии на реакторе возникает крутящий мо­мент М, поэтому в ГДТ момент Mt на входном валу 1 не равен моменту М2 на выходном валу 4. Таким образом, ГДП передают мощность при отсутствии жесткого соединения входного и выходного валов, благодаря чему двигатель и приводимая машина оказываются защищенными от вредных динамических перегрузок. Это продлевает срок службы машин. Изменяя бес ступенчато и автоматически частоту вращения выходного вала, ГДП выполняют функцию редуктора (мультипликатора), упрощают работу оператора приводимой машины. Перечисленные преимущества привели к широкому распространению ГДП на транспорте и в промышленности. Рис. 25. Принципиальная схема гидродинамической передачи Рис. 26. Схема гидромуфты           Рис. 27. Схема гидротрансформатора   Конструктивные элементы гидропривода Все гидравлические устройства самого различного назна­чения строятся как комбинации основных конструктивных эле­ментов, рассматриваемых ниже. Золотники применяются в качестве распределительных устройств для управления движением гидродвигателей. Вне зависимости от их конструкции все золотники могут иметь два или три фиксированных положения. Первые называются двухпозщионными, и два их крайних положения соответст­вуют движению силового органа в двух противоположных на­правлениях. Трехпозиционные золотники могут останавливать­ся еще и в среднем положении, «запирая» исполнительный ор­ган. В зависимости от числа подключаемых к ним основных трубопроводов (без учета ответвлений) бывают трех и четырех ходовые золотники. Первые применяются для управления гидроцилиндрами одностороннего действия, вторые — для гидроцилиндров двойного действия. Наибольшее распространение получили золотники с ли­нейным перемещением (рис. 28.1). Такой золотник состоит из корпуса (гильзы) 2 и плунжера 3, имеющего чередующиеся друг с другом пояски и проточки. При перемещении плунжера пояски открывают или закрывают окна в корпусе, направляя жидкость в полости гидродвигателя 1 или в сливную линию. Для перемещения золотника может применяться ручной, механический, электрический и гидравлический привод. На рис. 28.3 изображено устройство золотникового распределителя. Под действием пружины плунжер располагается в крайнем верхнем положении, напорная линия (окно Н) соединена с левой полостью исполнительного органа (окно Л). Из правой полости (окно П) жидкость вытесняется на слив (окно С). Под давлением кулачка плунжер / перемещается вниз, напорная линия соединяется с правой стороной исполнительного органа, а левая сторона через отверстие 2 и сверление в плунжере соединяется со сливом. После переключения золотника исполнительный орган изменяет направление движения.   Рис. 28.1. Золотник Рис. 28.2. Перекрытие с линейным перемещением золотником: а — положительное; б — отрицательное Рис. 28.3. Золотник: (а — разрез; б — гидравлическая схема) Золотники с поворотным плунжером конструктивно про­сты (рис. 29). Они состоят из поворотного плунжера (пробки) 1 конического или цилиндрического, расположенного в расточке корпуса 2. Конический плунжер пружиной 3 постоянно прижимается к корпусу, и при больших давлениях сила пружины может быть весьма большой, что затрудняет его поворот. Поэтому конические плунжеры применяются при сравнительно небольших расходах (0,2 л/с) и давлениях. Цилиндрические плунжеры не требуют прижатия, но для уменьшения утечек должны особо тщательно и точно обрабатываться и работать с минимальными зазорами.   К недостаткам золотников следует отнести износ боковой поверхности плунжера и гильзы, вызывающий увеличение за­зора, а следовательно, и утечек. Впрочем, даже у нового золотника радиальный зазор не может делаться слишком малым, ибо он должен предусматривать возможные температурные изменения во избежание заклинивания плунжера. Рис. 29. Золотник с поворотным плунжером: л — левая сторона; п — правая сторона; к — напорная линия; с — сливная линия. Клапаны. В гидросистемах, особенно в тех случаях, когда по соображениям герметичности и долговечности не рекомен­дуется применение золотниковых устройств, широко приме­няются клапаны. Однако они менее компактны, чем золотники, и .требуют больших усилий для управления. Клапаны одной и той же конструкции могут выполнять различные функции и в связи с этим конструктивных типов клапанов немного. Основные из них — шариковые, конусные, тарельчатые и плунжерные. Рассмотрим функциональное назначение различных типов клапанов. Обратные клапаны ставятся для предотвращения движе­ния жидкости в обратном направлении. Наиболее употребительная конструкция—шариковый клапан (рис. 30.1, а), но применяются также плунжерные клапаны (рис. 30.1, б), где роль шарика исполняет плунжер. Предохранительные клапаны (рис.30.2) применяются для защиты системы или ее частей от недопустимых давлений. Они срабатывают тогда, когда давление превышает допустимое значение, и остаются открытыми в течение короткого промежутка времени, необходимого для снижения давления. Рис. 30.1 Обратные клапаны: Рис.30.2. Предохранительные а — шариковый; клапаны б — плунжерный. Разгрузочные клапаны, предназначены для разгрузки на­сосов в промежутках между рабочими ходами силового орга­на, когда высокое давление не нужно. Открывшийся клапан соединяет систему или ее участок со сливной линией, снижает давление и разгружает насос. Иногда разгрузочные клапаны остаются постоянно открытыми и при нормальной работе, поддерживая пониженное давление на отдельных участках системы, они могут срабатывать под действием давления жидкости или с помощью электромагнитных реле. Переливные клапаны (рис. 31) играют роль регуляторов давления. Их назначение — поддерживать заданное давление, не допуская повышения или понижения. Под воздействием нормального (заданного) давления плунжер 2 занимает такое положение, при котором окна 3 частично открыты и жидкость в некотором количестве уходит на слив. При отклонении дав­ления от заданного плунжер либо опустится, либо поднимется, меняя проходное сечение окон и сопротивление проходу жидкости. В результате этого восстановится заданное давление, определяемое предварительным натяжением пружины. Рис.31. Переливной клапан Рис. 32. Редукционный клапан Редукционные клапаны (рис. 32) применяются для уменьшения и поддержания постоянным давления в некоторой части гидросистемы, если систему обслуживает насос, создающий большее давление, чем это нужно в данной части системы. Жидкость с давлением р1 поступает в окно 13 и, пройдя через щель 1, с уменьшенным давлением р2, выходит через окно 2. При неподвижном плунжере 12 давление в по­лости 3 и сообщающейся с ней каналом 4 полости 6 одинаково. Если редуцированное давление р возрастет больше до­пустимого, на которое настроен с помощью пружины 8 и винта 7 шариковый клапан 9, то последний откроется и жидкость из полости 6 по каналу 10 начнет выходить на слив. Давление в полости упадет быстрее, чем в полости 3, так как в соеди­нительном канале имеется калиброванное отверстие (жиклер) 5 с большим сопротивлением, поэтому плунжер 12 сместится вверх, прикроет щель / и давление в полости 3 вернется к прежнему (меньшему) значению. Таким образом, редукционный клапан не только уменьшает поступающее давление, но и поддерживает его в заданных пределах. Дроссели. Дроссели представляют собой регулируемые или постоянные гидравлические сопротивления. При включении такого сопротивления в сеть может быть достигнуто понижение давления за ним при неизменном давлении перед дросселем или, наоборот, повышение давления перед дросселем при постоянном давлении за ним. Дроссели бывают трех типов — с использованием а) ли­нейных, б) местных сопротивлений и в) комбинации обоих видов сопротивления. В дросселе первого типа (рис. 33, а) используется линейное сопротивление винтовой канавки, длину которой можно регулировать, вдвигая или выдвигая пробку. Местное сопротивление (рис. 33, б) создается диафрагмой и может регулироваться степенью погружения специальной иглы. Комбинированный дроссель (рис. 33, в) выполняется в виде пробки, на боковой поверхности которой по образующей или по окружности сделана канавка или щель прямоугольного или треугольного сечения. Сопротивление регулируют, вдвигая или поворачивая пробки. Расход, проходящий через дроссель, зависит от потери давления в нем, конструкции, степени открытия дросселя и вязкости жидкости. Ввиду того что расход через дроссель зависит от перепада давления, а последнее само является функцией нагрузки регулируемого органа, оказывается невозможным получить постоянный расход при переменной нагрузке, поэтому для поддержания постоянного расхода (а следовательно, и скорости) применяется дроссель в комбинации с другими элементарными устройствами. а б в Рис. 33. Схемы дросселей: а — с линейным сопротивлением; б — местным; в — с комбинированным. Регулятор усилия в гидроприводе поддерживает постоянное усилие на поршне исполнительного органа (рис. 34). Пусть требуется поддерживать постоянное усилие на поршне 1, Р! = R. +p2F2 При переменном рабочем усилии R, очевидно, должно меняться давление р2, ибо по условию R. +p2F2 = const. Если рабочее усилие R увеличилось, то увеличится давление в левой полости цилиндра и в левой полости 2 золотника и плунжер 3 сместится вправо. При этом приоткроется коническая щель 4, увеличится слив из правой полости цилиндра и давление р2 уменьшится, а суммарная нагрузка на поршень вернется к прежнему значению. Струйная трубка позволяет преобразовать кинетическую энергию струи жидкости в энергию давления. Она легко управляется и имеет высокую чувствительность ввиду того, что реакция вытекающей струи направлена перпендикулярно к перемещению трубки. На рис. 35, а изображена струйная трубка. Жидкость в трубке подается обычно с давлением не более 0,8 МПа, что обеспечивает расход около 100 см3/с и выходную скорость порядка 40 м/с, КПД трубки 0,8—0,85. Рис. 34. Регулятор Рис- 35- Струйная трубка: усилия. а – общий вид; б - схема включения в гидросистему. На рис. 35, б показана схема включения трубки в систему. Командный импульс подается толкателем, перемещающим трубку, например, вверх, а в обратном направлении при уменьшении командного усилия она возвращается давлением пружины, натяжение которой регулируется винтом. Таким образом, струя масла попадает в верхнее сопло, а из него в верх­нюю полость силового цилиндра. Здесь кинетическая энергия струи преобразуется в давление, перемещающее поршень вниз. Масло из нижней полости вытесняется через нижнее сопло в коробку, откуда уходит в бак через сливное отверстие. Сопло-заслонка. Этот элемент применяется для воздейст­вия на струю вытекающей жидкости с целью изменения давления в полости, из которой происходит истечение. При приближении заслонки к соплу увеличивается сопротивление выходу жидкости и давление вытекающей жидкости р увеличивается (рис. 36). При удалении заслонки от сопла происходит обратное явление. Усилия, необходимые для перемещения дифференциальной заслонки, меньше, так как эта заслонка испытывает давление струи с обеих сторон и при перемещении должна преодолевать усилие, вызванное только разностью давлений. Как и струйная трубка, сопло-заслонка применяется в усилительных и следящих устройствах. Оно обладает высокой чувствительностью и устойчивостью, допускает применение больших давлений. Однако из-за больших неизбежных утечек его КПД низок, усилия, необходимые для перемещения заслонки, сравнительно велики. Рис. 36. Сопло-заслонка: а - простая; б - дифференциальная.       Реле. Реле давления предназначаются для включения тех или иных механизмов гидросистемы, когда давление в какой-либо части достигает заданного значения. Это может быть включение или отключение насоса, привода, реле времени и др. Включение может осуществляться гидравлически - передвижением золотника, управляющего клапана или элект­рически — замыканием (размыканием) электрических контактов. Вспомогательные устройства Аккумуляторы. Расход жидкости, потребляемой гидросистемой, не постоянен, и его мгновенные значения могут существенно отличаться от среднего (рис. 37). Так как обычно насос подает постоянный расход, то его пришлось бы рассчи­тывать на максимальную производительность и значительную часть времени излишнюю жидкость сбрасывать через обрат­ный клапан в бак. Такая работа системы очень неэкономична, ибо насос все время работает с максимальной нагрузкой, хотя в этом нет необходимости. Для повышения КПД системы и для уменьшения мощности насоса применяются гидроаккумуляторы. Они представляют собой сосуды, содержащие запас жидкости, за счет которого восполняется недостаток жидкости в системе, когда ее расход превосходит производительность насоса. При уменьшении потребления жидкости избыточная производительность насоса не сбрасывается в бак, а пополняет запас в аккумуляторе. При резком снижении потребления оказывается возможным обойтись запасом аккумулятора и даже временно выключить насос. Таким образом, насос можно/ подбирать по среднему расходу системы, что значительно снижает его мощность и повышает КПД системы. В этом основное назначение аккумулятора; кроме того, он устраняет пульсацию давления, смягчает гидравлические удары и ударное действие возвратно поступательно движущихся деталей. В гидросистемах применяется несколько типов аккумуляторов: пружинные, грузовые, гидропневматические. Пружинные и грузовые аккумуляторы применяются редко и лишь при малых давлениях (до 0,4 МПа). В гидропневматических аккумуляторах используется энергия сжатого воздуха или инертного газа. Если газ и масло ничем не разделены, то, чтобы избежать окисления масла, применяется инертный газ — азот. В большинстве аккумуляторов воздух и масло разделены или плавающим поршнем 1 с уплотнительными резиновыми кольцами 2 (рис. 38, а) или резиновой диафрагмой 1 из маслостойкой резины (рис. 38, б). Аккумуляторы с резиновой диафрагмой могут быть или цилиндрическими или сферическими (последние более компактны).     Рис. 37. График потребления жидкости в системе.     Рис. 38. Гидропневматические аккумуляторы: а — с плавающим поршнем; б — с резиновым мешком (диафрагмой).   При зарядке аккумулятор сначала наполняется воздухом (газом) под давлением 4—5 Мпа, после чего с противоположной стороны подается жидкость с давлением 5—7 МПа Поршень или мембрана перемещается в сторону воздуха, сжимает его до получения давления, равного давлению жидкости. Подзарядка аккумуляторов производится через 4—6 месяцев. Для того чтобы при разрядке аккумулятора масло из него полностью не вышло, на масляной стороне ставится специаль­ный клапан. При значительном снижении давления масла в системе клапан закрывается, задерживая масло в аккумуля­торе. В других конструкциях (рис. 22.16, б) клапан 2 закры­вается от нажима диафрагмы; он же предохраняет выдавли­вание диафрагмы через масляное отверстие, предохраняя ее от повреждения. Фильтры. При работе гидросистемы жидкость постоянно засоряется из-за проникновения в систему посторонних приме­сей извне, а также продуктами износа деталей системы и про­дуктами окисления масла. Частицы, загрязняющие жидкость, ухудшают смазку, увеличивают силы трения и износ деталей, засоряют каналы и отверстия золотников, клапанов и других устройств, способствуют окислению масла. Для очистки рабочей жидкости применяются фильтры. Они включаются либо на нагнетании перед одним из ответственных узлов, либо на сливной линии. Включение фильтров возможно последовательно с насосом или параллельно. В первом случае очищается вся жидкость, во втором — лишь ее часть, а полная очистка происходит постепенно. В качестве фильтрующих элементов применяются различные ткани — фетр, войлок, специальная бумага, металличе­ские сетки (латунные с числом отверстий более 3100 на 1см2). На рис. 39 изображен пластинчатый фильтр. Периоди­ческая очистка фильтра производится поворотом шпинделя 1, вместе с которым поворачиваются пластины 2 относительно неподвижных ножей 4, заложенных в зазоры между ними. Таким образом, очищаются зазоры между пластинами и поверхность самих пластин. Отстой сливается через отверстие, закрытое обычно пробкой 3. Рис. 39. Фильтр. Принципиальные схемы и конструкции объемных гидроприводов Схема гидропривода поворотного движения (рис.42). Данная схема гидропривода с разомкнутой циркуляцией жидкости требует применения двигателя определенной конструкции. Поворотные гидродвигатели по конструкции подразделяются на два типа: гидродвигатели с пре­образованием поступательного движения во вращательное, например с помощью зубчатой рейки, и гидродвигатели без преобразования характера движения, например шиберные поворотные гидродвигатели. В рассматриваемой схеме применен двигатель второго типа. Внутреннее пространство поворотного гидродвигателя 7 попеременно заполняется жидкостью с правой и левой стороны лопасти, в результате чего она совершает качательные движения. Угол поворота лопасти не превышает 120°. С учетом особенности эксплуатации поворотного двигателя в схеме использован трехпозиционный гидрораспределитель 2, управляемый от электромагнитов. Направление движения выходного звена двигателя изменяется в результате изменения позиции распределителя, а скорость движения — в результате увеличения или уменьшения рабочего объема насоса 4 (на рисунке 3 — бак; 5 — предохранительный клапан). Схема гидропривода вращательного движения (рис. 43). В данной схеме может быть применена одна из разновидностей гидродвигателей, обеспечивающих вращательное движение: шестеренчатый, пластинчатый, винтовой, поршневой (радиальный или аксиальный). Выбор типа гидродвигателя диктуется конкретными условиями его работы. Наибольшее распространение в гидроприводах самолетов, тракторов, строительно-дорожных машин, металлорежущих станшв получили роторно-поршневые гидродвигатели. Жидкость подается к гидродвигателю 1 регулируемым на­сосом 4. Для улучшения условий всасывания жидкости из бака 3 и предотвращения ее кавитации применяют наддув воздуха или другого газа, т.е. в баке над поверхностью жидкости поддерживают избыточное давление (на рисунке 2 — гидрораспределитель; 5 — предохранительный клапан).   ГИДРОЭНЕРГЕТИКА Гидроэнергетика, раздел энергетики, связанный с использованием потенциальной энергии водных ресурсов. Человек ещё в глубокой древности обратил внимание на реки как на доступный источник энергии. Для использования этой энергии научились строить водяные колёса, которые вращала вода; этими колёсами приводились в движение мельничные постава и др. установки. Водяная мельница является примером древнейшей гидроэнергетические установки, сохранившейся во многих местах до нашего времени почти в первобытном виде. До изобретения паровой машины водная энергия была основной двигательной силой на производстве. По мере совершенствования водяных колёс увеличивалась мощность гидравлических установок, приводящих в движение станки, молоты, воздуходувные устройства и т. п. Об использовании водной энергии на территории СССР свидетельствуют материалы археологических исследований, в частности проведённых на территории Армении и в бассейне р. Амударья. В 17 в. в России единственной энергетической базой развивавшегося мануфактурного производства были водяные колёса. Замечательные успехи в строительстве вододействующих или гидросиловых установок в России были достигнуты в 18 в. в горнорудной промышленности на Урале и Алтае. Гидросиловые установки были неотъемлемой частью металлургического, лесопильного, бумажного, ткацкого и др. производств. К концу 18 в. в России было уже около 3000 мануфактур, использовавших водную энергию рек. Были созданы уникальные для того времени гидросиловые установки. Например, в 1765 водный мастер К. Д. Фролов соорудил на р. Корбалиха (Алтай) гидросиловую установку, в которой вода подводилась к рабочему колесу по специальному каналу. Образовавшийся перепад между каналом и рекой использовался в установке для вращения водяного колеса, которое при помощи системы остроумно осуществленных передач приводило в движение группу машин, в том числе предложенный К. Д. Фроловым внутризаводской транспорт в виде системы вагонеток. В 1787 К. Д. Фролов завершил строительство деривационной четырехступенчатой подземной гидросиловой установки на р. Змеевка, не имевшей себе равных как по схеме, так и по масштабу и уровню технического исполнения. Самые мощные водяные колёса диаметром 9,5 м, шир. 7,5 м были установлены в конце 18 в. в России на р. Нарова для Кренгольмской мануфактуры. При напоре 5 м они развивали мощность до 500 л. с. С появлением паровой машины примитивные вододействующие установки начали утрачивать своё значение. Для того чтобы конкурировать с паровой машиной, необходимо было иметь более совершенные двигатели, чем громоздкие и сравнительно маломощные водяные колёса. В 1-й половине 19 в. была изобретена гидротурбина, открывшая новые возможности перед Г. С изобретением электрической машины и способа передачи электроэнергии на значительные расстояния Г. приобрела новое значение уже как направление электроэнергетики; началось освоение водной энергии путём преобразования её в электрическую на гидроэлектрических станциях (ГЭС). В царской России к 1913 насчитывалось около 50 тыс. гидросиловых установок общей мощностью почти 1 млн. л. с.; из них около 17 тыс. были оборудованы гидротурбинами. Суммарная годовая выработка электроэнергии на всех ГЭС не превышала 35 млн. квт /ч при установленной мощности около 16 Мвт. О крайней отсталости царской России в развитии Г. свидетельствует тот факт, что в 1913 в др. странах общая мощность действующих ГЭС достигла 12000 Мвт, причём были построены такие крупные электростанции, как, например, ГЭС Адамс на Ниагарском водопаде (США) мощностью 37 Мвт. Только после Великой Октябрьской социалистической революции началось широкое освоение гидроэнергетических ресурсов страны. 13 июня 1918 СНК принял решение о строительстве Волховской ГЭС мощностью 58 Мвт — первенца советской Г. В 1920 по указанию и при непосредственном участии В. И. Ленина был составлен план электрификации России — план ГОЭЛРО. В нём предусматривалось сооружение 10 ГЭС общей установленной мощностью 640 Мвт. В 1927 начато строительство самой крупной для того времени гидростанции в Европе— Днепровской ГЭС мощностью 560 Мвт; с её пуском в 1932 СССР в строительстве гидростанций достиг уровня наиболее развитых стран мира. За 1917—70 Советский Союз стал одной из ведущих стран в области Г.: по установленной мощности гидроэлектростанций в 1970 СССР уступал только США. По запасам же гидроэнергии Советский Союз значительно превосходит все страны мира. Гидроэнергетический потенциал крупных и средних рек в СССР равен 3338 млрд. Экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов СССР определён (1965) в размере 1095 млрд. квт ·ч среднегодовой выработки (см. табл. 1). Табл. 1. — Степень освоения гидроэнергетических ресурсов в различных странах мира Табл. 1. — Степень освоения гидроэнергетических ресурсов в различных странах мира Страна Экономический потенциал гидроэнерго-ресурсов, млрд. квт ·ч Год оценки Выработка электроэнергии на ГЭС,млрд. квт ·чв 1969 Степень использования экономического потенциала гидроэнер-горесурсов, % СССР 1095 1965 115,2 10,5 США 685 1966 253,3 37,0 Канада 218 1965 151,0 69,3 Япония 132 1967 79,8 60,5 Норвегия 152 1967 57,5 37,5 Франция 70 1967 52,9 75,5 Швеция 80 1966 41,8 52,5 Италия 70 1966 41,7 59,5 Швейцария 32 1967 27,3 85,5 Испания 58 1967 30,7 53,0 Бразилия 657 1966 32,0 4,9 Мексика 73 1967 12,6 17,3 Австрия 38 1966 16,7 44,0 Табл. 2. — Место гидроэнергетики в электроэнергетике СССР Года 1913 1926 1930 1940 1950 1960 1965 1970 Мощность ГЭС, Мвт 16 89 128 1587 3218 14781 22244 31300 Доля ГЭС в общей мощности электростанций страны, % 1,4 5,6 4,5 14,2 16,4 22,2 19,3 18,9 Выработка электроэнергии на ГЭС, млрд. квт-ч 0,035 0,05 0,585 5,11 12,69 50,9 81,4 123,3 Доля ГЭС в выработке электроэнергии в стране, % 1,8 1,4 6,6 10,4 13,9 17,4 16,1 16,6   Народнохозяйственное значение гидроэнергоресурсов огромно: на протяжении многих лет ГЭС являлись единственно возможным источником электроэнергии для многих районов страны. И в 70-х гг. с выявлением огромных запасов топливных ресурсов и созданием объединённых энергетических систем значение Г. не утрачено. Во многих энергосистемах ГЭС составляют основу энергетики и несут почти всю основную нагрузку. Так, например, в Кольской энергосистеме число часов использования мощности ГЭС составляет свыше 5000, а ТЭС — менее 2000 в год. В объединённой энергосистеме Центральной Сибири число часов использования мощности ГЭС и тепловых электростанций почти одинаково (4200 и 4600 в год). В единой энергосистеме Европейской части страны число часов использования мощности ГЭС около 3000. Важной экономической особенностью гидроэнергетических ресурсов является их вечная возобновляемость, не требующая в дальнейшем дополнительных капиталовложений. Электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС, в среднем почти в 4 раза дешевле электроэнергии, получаемой от тепловых электростанций. Поэтому использованию гидроэнергетических ресурсов придаётся особое значение при размещении электроёмких производств. Отсутствие необходимости в топливе и более простая технология выработки электроэнергии приводят к тому, что затраты труда на единицу мощности на ГЭС почти в 10 раз меньше, чем на тепловых электростанциях (с учётом добычи топлива и его транспортирования). Высокая производительность труда на ГЭС является одной из основных её экономических особенностей и имеет важнейшее значение при решении задач энергетического строительства в малообжитых и особенно в удалённых районах Севера страны. ГЭС являются мобильными энергетическими установками, выгодно отличающимися от паротурбинных тепловых электростанций в области регулирования частоты, покрытия растущих пиковых нагрузок, маневрирования мощностью в период ночного снижения нагрузок и в роли аварийного резерва системы. Это особенно важно для энергосистем Европейской части СССР, где электропотребление в течение суток характеризуется большой неравномерностью. Огромные гидроэнергетические ресурсы сосредоточены в Восточной Сибири, на рр. Енисей, Ангара, Нижняя Тунгуска и др. Природные условия позволяют получать здесь в больших количествах особенно дешёвую электроэнергию на гигантских ГЭС, мощностью 4000—6000 Мвт каждая. На базе этой дешёвой электроэнергии развивается электроёмкая промышленность. Г. содействовала развитию производительных сил северных районов Восточной Сибири. На долю Г. приходится примерно 19% от мощности всех электростанций и около 16% от выработки электроэнергии в целом по стране (см. табл. 2). Г. на всех этапах экономического развития СССР имела большое значение в снабжении электроэнергией развивающейся промышленности. В ряде районов страны Г. была основной энергетической базой для развития экономики (Мурманская обл., Карелия, Закавказье, некоторые районы Средней Азии и др.). Г. во многих случаях была ведущей в комплексном использовании водных ресурсов. Крупное гидротехническое строительство явилось по существу первым звеном в реализации больших ирригационных проблем. Построенные и строящиеся ГЭС создали предпосылки для расширения системы орошения на огромных площадях. Гидроэнергетическое строительство на рр. Волга, Кама, Дон, Днепр и Свирь обусловило их превращение в водные магистрали Европейской части страны, позволило поднять уровень воды на этих реках и создать единую судоходную систему, соединяющую Каспийское, Чёрное, Азовское, Балтийское и Белое моря. В СССР построены и строятся (1970) крупнейшие ГЭС в мире: Саяно-Шушенская и Красноярская на р. Енисей, Братская им. 50-летия Великого Октября и Усть-Илимская на р. Ангара, Нурекская на р. Вахш, Волжская им. 22-го съезда КПСС, Волжская им. В. И. Ленина. Огромные масштабы гидротехнического строительства в СССР стали возможны благодаря высокому уровню развития гидротехнической науки, проектирования и строительства. Всё, что было построено и спроектировано в области Г. и гидротехники, осуществлено своими силами, без привлечения иностранных фирм. Сов. Союз впервые в мире начал строить крупные гидроузлы на мягких основаниях. В СССР были построены плотины новых типов, чрезвычайно высокие, а в отдельных случаях — рекордные по высоте в мировой практике: арочные — Ингурская (высота 271 м), Чиркейская (230 м); арочно-гравитационные — Саянская (236 м), Токтогульская (215 м); гравийно-галечниковая — Нурекская (310 м); плотины в районах вечной мерзлоты — Мамаканская, Вилюйская и Хантайская. В 70-х гг. продолжалось строительство крупных гидроузлов с высокими плотинами в высокосейсмичных районах (Токтогульский в зоне свыше 9 баллов и ряд др.). Много нового внесено в проектирование плотин на равнинных реках. Освоены новые типы гидротурбинного оборудования: на Братской ГЭС им. 50-летия Великого Октября установлены гидроагрегаты по 225 Мвт; на Красноярской — по 508 Мвт. Освоены капсульные горизонтальные гидроагрегаты на Киевской, Каневской и др. ГЭС. В СССР построена (1968) первая приливная электростанция (Кислогубская ПЭС). Сов. опыт гидротехнического строительства находится на уровне мировых достижений.   Основные уравнения – плотность жидкости [кг/м3] – удельный вес жидкости (газа) [Н/м3] – удельный объём жидкости (газа) [м3/кг] – значение числа Рейнольдса – объёмный расход [м3/c] – массовый расход [кг/c] – весовой расход [Н/c] – средняя скорость потока [м/c] – абсолютное давление [Па = Н/м2] – избыточное давление [Па = Н/м2] – вакуумметрическое давление [Па = Н/м2] – сила гидростатического давления на плоскую горизонтальную стенку [Н = кг*м/с2] – основное уравнение гидродинамики, уравнение Бернулли [м] – уравнение Бернулли для установившегося движения струйки идеальной жидкости [м] – уравнение Бернулли для установившегося движения потока идеальной жидкости [м] – уравнение Бернулли для установившегося движения струйки реальной жидкости [м] – уравнение Бернулли для установившегося движения потока реальной жидкости [м] – полный гидравлический напор [м] – величина местных гидравлических потерь (hМ) (Вейсбаха) [м] – потери напора по длине (hДЛ) (Дарси-Вейсбаха) [м] i = hм / l – гидравлический уклон (i) [м] – коэффициент Дарси (λ), при ламинарном режиме для трубы круглого сечения