- •Введение. Предмет и задачи курса
- •1. Основные понятия
- •1.1. Основные свойства капельных жидкостей. Жидкости, применяемые в авиационной и ракетной технике
- •1.2. Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости
- •2. Основы гидростатики
- •2.1. Свойства гидростатического давления
- •2.2. Основное уравнение гидростатики
- •2.3. Пьезометрическая высота. Вакуум. Измерение давления
Введение. Предмет и задачи курса
Раздел механики, в котором изучаются равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею телами или ограничивающими ее поверхностями, называется гидромеханикой.
Одной из прикладных отраслей гидромеханики является гидравлика. Обычно гидравлику определяют как науку о законах равновесия и движения жидкостей и о применении этих законов к решению практических задач. Это определение нуждается в некоторых уточнениях и пояснениях.
В гидравлике рассматриваются, главным образом, потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т.е. течения в открытых и закрытых руслах. В понятие "русло" мы будем включать все те стенки, которые ограничивают и направляют поток, следовательно, не только русла рек, каналов и лотков, но и различные трубопроводы, насадки, элементы гидравлических машин и других устройств, внутри которых протекает жидкость.
Можно сказать, таким образом, что в гидравлике изучаются и основном внутренние течения жидкостей и решается так называемая "внутренняя" задача в отличие от "внешней" задачи, связанной с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе (воздухе). Эта "внешняя" задача рассматривается в аэрогидромеханике и получает значительное развитие в связи с потребностями авиации и судостроения.
Следует отметить, что термину "жидкость" в гидромеханике часто придают более широкий смысл, чем это принято в обыденной жизни.
В понятие "жидкость" включают все те тела, для которых характерно свойство текучести, т.е. способность сколь угодно сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил.
|
Таким образом, в это понятие включают как жидкости обычные, называемые капельными, так и газы.
Первые отличаются тем, что в малых объемах принимают сферическую форму, а в больших обычно образуют свободную поверхность. Важной особенностью капельных жидкостей является то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, поэтому их обычно считают несжимаемыми. Газы, наоборот, способны к весьма значительному уменьшению своего объема под действием давления и к неограниченному расширению при отсутствии давления, т.е. обладают большой сжимаемостью.
Несмотря на это различие, законы движения капельных жидкостей и газов при определенных условиях можно считать одинаковыми. Основным из этих условий является малое значение скорости течения газа по сравнению со скоростью распространения в нем звука.
В гидравлике изучаются движения, главным образом, капельных жидкостей, причем, в подавляющем большинстве случаев последние рассматриваются как несжимаемые. Что же касается внутренних течений газа, то они относятся к области гидравлики лишь в тех случаях, когда скорости их течения значительно меньше скорости звука и, следовательно, когда сжимаемостью газа можно пренебрегать. Такие случаи движения газа встречаются на практике довольно часто. Это, например, течение воздуха в вентиляционных системах и некоторых других газопроводах.
В дальнейшем изложении
под термином "жидкость" будем понимать капельную жидкость, а также газ, когда его можно считать несжимаемым.
|
Исследование движения жидких и, тем более, газообразных тел является более трудной и сложной задачей, чем исследование движения абсолютно твердого тела. Еще Галилей сказал, что гораздо легче изучить движение бесконечно удаленных от нас небесных светил, чем движение воды в ручейке, протекающем у наших ног. Это станет понятным, если учесть, что в механике твердого тела мы имеем систему жестко связанных между собой частиц, тогда как в механике жидкостей рассматривается среда, состоящая из множества подвижных друг относительно друга частиц.
Вследствие этих трудностей историческое развитие механики жидкостей шло двумя различными путями.
Первый путь путь точного математического анализа, основанного на законах механики был чисто теоретический. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, науки, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной, непосредственно не связанной с экспериментом. Этот метод является весьма соблазнительным и в то же время весьма эффективным средством научного исследования. Однако он не всегда дает ответы на вопросы, выдвигаемые практикой.
Поэтому из насущных задач практической инженерной деятельности людей родилась другая наука о движении жидкостей гидравлика, где исследователи пошли по второму пути пути широкого привлечения эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике. В начальный период своего развития гидравлика была наукой чисто эмпирической. В настоящее же время там, где это возможно и целесообразно, всe больше начинают применяться методы теоретической гидромеханики для решения отдельных задач, а теоретическая гидромеханика все чаще начинает прибегать к эксперименту как к критерию достоверности своих выводов. Таким образом, различие в методах этих двух наук постепенно исчезает и граница между ними стирается.
Метод, применяемый в современной гидравлике при исследовании движения жидкости, заключается в следующем. Исследуемые явления на первых порах упрощаются, идеализируются и к ним применяют законы теоретической механики. Затем полученные результаты сравнивают с данными опытов, выясняют степень расхождения и производят уточнение и исправление теоретически выводов и формул с целью приспособления их к практическому использованию.
Целый ряд явлений, крайне трудно поддающихся теоретическому анализу ввиду своей сложности, исследуется в гидравлике чисто экспериментальным путем, а результаты такого исследования представляются эмпирическими формулами. Поэтому гидравлика является наукой полуэмпирической.
Эта наука дает методы расчета и проектирования разнообразных гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водосливов, трубопроводов для подачи всевозможных жидкостей), гидравлических машин (насосов, гидротурбин, гидропередач), а также других гидравлических устройств, применяемых во многих областях техники.
Особенно велика роль гидравлики в машиностроении. Так, например, на современном машиностроительном заводе мы встречаемся с широким использованием гидравлического привода в металлорежущих станках, в кузнечно-прессовым гидрооборудовании, а также с использованием гидравлики при литье металлов и пластмасс и пр.
Одной из характерных особенностей современного самолетостроения является все возрастающая роль различного рода оборудования на самолете и в том числе гидравлического оборудовании гидропередач (гидросистем), топливных систем, масляных систем, гидропневмоамортизации и др.
Системы самолетных гидропередач значительно усложнились за последние годы и сделались более мощными. Если на самолетах периода Великой Отечественной войны гидропередачи использовались лишь для подъема и выпуска шасси, то на современных самолетах число функций, выполняемых гидропередачами, достигает десяти и более.
При помощи гидропередач (гидросистем) на самолете обычно производится управление полетом (отклонение рулей и элеронов), подъем и выпуск шасси, поворот передней стойки, выпуск и уборка закрылков и воздушных тормозных щитков, приведение в действие наземных тормозов, управление двигателем (регулирование входного устройства, реактивного сопла, противопомпажных устройств); управление створками люков и трапами; вращение антенн и др. Имеется тенденция к дальнейшему расширению области применения гидропередач на самолетах, а также на вертолетах.
Большая и очень ответственная система гидропередач гидравлическое управление самолетом (система гидроусилителей, или бустеров) представляет собой тонко настроенную следящую силовую систему, от исправности которой зависит возможность полета.
Гидропривод успешно применяется на самолетах в качестве привода синхронных генераторов и тем самым способствует решению проблемы перевода самолетов на переменный ток стабильной частоты.
Топливные системы современных реактивных самолетов в связи с огромным расходом горючего превратились в сложные устройства, состоящие из нескольких баков, целой системы трубопроводов, ряда основных и вспомогательных насосов и различных агрегатов.
Особенно сложными и в то же время мощными являются топливоподающие системы жидкостно-ракетных двигателей, состоящих в основном из камеры сгорания и топливоподающей системы. Последняя в свою очередь обычно складывается из двух систем: одна для подачи горючего (например, керосина), другая для окислителя (например, азотной кислоты или жидкого кислорода). Обе системы связаны между собой автоматикой, обеспечивающей подачу компонентов топлива в нужном соотношении на различных режимах работы двигателя.
Масляные системы самолетов с турбреактивными и турбовинтовыми двигателями (ТРД и ТВД) представляют собой ответственные гидравлические системы, содержащие по нескольку насосов и специальных гидравлических агрегатов, обеспечивающих охлаждение и фильтрацию масла, воздухоотделение и пр.
Стационарные и подвижные заправочные средства на аэродромах также представляют собой гидравлические системы с насосными установками большой производительности. Что же касается заправки самолетов в воздухе, то успешное решение этой задачи в значительной степени определяется применением достаточно мощного и в то же время компактного гидравлического оборудования.
Этот далеко не полный перечень показывает, как широко применяются в авиационной технике различного рода гидравлические устройства.
Для того, чтобы хорошо понимать работу этих систем, грамотно их эксплуатировать, уметь устанавливать причины неисправностей и находить пути их устранения, а тем более для того, чтобы проектировать и рассчитывать эти системы, нужно иметь соответствующую подготовку в области гидравлики.