Внешние цилиндрические насадки
Внешним цилиндрическим насадком называется короткая трубка длиной, равной нескольким диаметрам без закругления входной кромки (рис. 10). На практике такой насадок часто получается в тех случаях, когда выполняют сверление в толстой стенке и не обрабатывают входную кромку. Цилиндрические насадки встречаются в виде деталей гидравлических систем машин и сооружений
Рис. 10. Истечение жидкости в атмосферу через
внешний цилиндрический насадок
Истечение через такой насадок в газовую среду может происходить в двух режимах.
Первый режим - безотрывный. При истечении струя, после входа в насадок сжимается примерно так же, как и при истечении через отверстие в тонкой стенке. Затем струя постепенно расширяется до размеров отверстия, и из насадка выходит полным сечением (рис. 10).
Минимальная относительная длина насадка 
, при которой может реализоваться первый режим истечения, равна приблизительно 1. Однако и при достаточном значении не всегда возможен этот режим.
Найдём давление внутри насадка и условие, при котором возможен первый, безотрывный режим истечения.
Если составить уравнение Бернулли для сжатого сечения 1-1 и сечения за насадком 2-2 и преобразовать его, то можно получить падение давления внутри насадка:
P2 - P1 
0,75Hgρ
При некотором критическом напоре Нкр абсолютное давление внутри насадка (сечение 1-1) становится равным нулю (P1 = 0), или точнее – давлению насыщенных паров, и поэтому 
Следовательно, при Н > Нкр давление P1должно было бы стать отрицательным, но, так как в жидкостях отрицательных давлений не бывает, то первый режим движения становится невозможным. Поэтому при Н Нкр происходит внезапное изменение режима истечения, переход от первого режима ко второму (рис. 11).
Рис. 11. Второй режим истечения через насадок
Второй режим характеризуется тем, что струя после сжатия уже не расширяется, а сохраняет цилиндрическую форму и перемещается внутри насадка, не соприкасаясь с его стенками. Истечение становится точно таким же, как и из отверстия в тонкой стенке, с теми же значениями коэффициентов. Следовательно, при переходе от первого режима ко второму скорость возрастает, а расход уменьшается благодаря сжатию струи.
Если через описанный насадок происходит истечение воды в атмосферу, то 
.
Рассмотрим случай, когда к отверстию в стенке резервуара присоединен насадок диаметром d, равным диаметру отверстия. Рассмотрим истечение через внешний цилиндрический насадок (рис. 12).
Рис. 12. Истечение жидкости из внешнего цилиндрического насадка
Струя жидкости при входе в насадок сжимается, а потом расширяется и заполняет все сечение. Из насадка струя вытекает полным сечением, поэтому коэффициент сжатия, отнесенный к выходному сечению, 
, а коэффициент расхода 
.
Составим уравнение Д. Бернулли для сечений 1-1 и 2-2: 
, где 
– потери напора.
Для истечения из открытого резервуара в атмосферу аналогично истечению через отверстие уравнение Д.Бернулли приводится к виду: 
. (*)
Потери напора в насадке складываются из потерь на входе и на расширение сжатой струи внутри насадка. (Незначительными потерями в резервуаре и потерями по длине насадка ввиду их малости можно пренебречь.)
Итак, учитывая теорему Борда (потеря напора при внезапном расширении русла равна скоростному напору, определённому по разности скоростей: 
и 
, где коэффициент потерь 
, можем записать: 
(**).
По уравнению неразрывности: 
, откуда 
.
Подставляя значение 
в уравнение (**), имеем:
,
где обозначено 
.
Полученное значение потерь напора подставим в уравнение (*), тогда 
. Отсюда, скорость истечения: 
.
Обозначая 
, получим для скорости уравнение 
.
Определим расход жидкости: 
.
Но для насадка 
и 
, где 
– коэффициент расхода насадка; 
– площадь живого сечения насадка.
Таким образом, уравнения для определения скорости и расхода жидкости через насадок имеют тот же вид, что и для отверстия, но другие значения коэффициентов. Для коэффициента сжатия струи (при больших значениях Reи 
) можно приближенно принять 
, и тогда получается 
. Фактически происходят и потери по длине, поэтому для истечения воды в обычных условиях можно принимать 
.
Сравнивая коэффициенты расхода и скорости для насадка и отверстия в тонкой стенке, устанавливаем, что внешний цилиндрический насадок увеличивает расход и уменьшает скорость истечения.
Внешний цилиндрический насадок может быть значительно улучшен путем закругления входной кромки или устройства конического входа.
4.5.2.Конически расходящиеся насадки. В конически расходящихся насадках в области сжатого сечения создается вакуум бо́льшей величины, но величина вакуума зависит от угла конусности. При большом угле конусности возможен отрыв струи от стенок насадка, и, следовательно, срыв вакуума.
В конических расходящихся насадках внутреннее расширение струи после сжатия больше, чем в конических сходящихся и цилиндрических, поэтому потери напора здесь возрастают и коэффициент скорости 
уменьшается. Внешнего сжатия при выходе нет.
Конические расходящиеся насадки применяют в тех случаях, когда необходимо уменьшить скорость истечения, например, насадки для подачи смазочных масел и т. п. В конических расходящихся насадках в месте сжатия струи создаётся большой вакуум, поэтому их еще применяют там, где требуется создать большой эффект всасывания (эжекторы, инжекторы и т. п.).
Конически расходящиеся насадки за счет расширения потока отличаются от всех других видов насадков значительно бо́льшими потерями напора, малыми скоростями выхода. Следовательно, их отличительными особенностями являются: большая пропускная способность (большой расход Q) при относительно малых выходных скоростях. Используют эти насадки в водоструйных и пароструйных насосах, гидроэлеваторах и т. п. Конические расходящиеся насадки применяют для уменьшения скорости и увеличения расхода жидкости и давления на выходе во всасывающих трубах турбин.
4.5.3.Конически сходящиеся насадки
Конически сходящиеся насадки имеют форму конуса, сходящегося по направлению к выходному сечению. Основное назначение этих насадков – увеличивать скорость выхода жидкости, т.е. создавать струю, обладающую большой удельной кинетической энергией. Струя, выходящая из насадка, отличается компактностью и способностью на длительном расстоянии сохранять свою форму, не распадаясь. Поэтому их применяют в качестве сопел гидромониторов, гидравлических турбин, наконечников пожарных брандспойтов и т. п. (форсунки, сопла и др.).
4.5.4.Коноидальные насадки
Коноидальный насадок очерчивается по форме вытекающей струи. Для этих насадок значение коэффициентов составляет: 
.
Коноидальные насадки применяют там, где необходимо получить хорошую компактную струю сравнительно большой длины при малых потерях энергии (в напорных брандспойтах, гидромониторах и т.д.). Конически сходящиеся насадки используют для увеличения расхода истечения при малых выходных скоростях.
Для коноидально-расходящейся насадки можно получить коэффициент расхода больше единицы за счет увеличения выходного сечения.
На рис. 13 даны различные типы насадков и указаны значения соответствующих коэффициентов.
Рис. 13. Значения коэффициентов истечения, скорости и сжатия жидкости через насадки:
а - расширяющиеся конические; б - сужающиеся конические; в - коноидальные; г - внутренние цилиндрические
[1] Это будет в том случае, если размер отверстия в 3 раза меньше расстояния до ближайшей стенки резервуара или свободной поверхности.
Дата добавления: 2015-09-23; просмотров: 5935;