ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД

Изобретение относится к учебно-лабораторному оборудованию по дисциплинам: гидравлика (механика жидкости и газа); техническая гидромеханика; гидрогазодинамика; гидроаэромеханика; гидравлика и аэродинамика; техническая механика жидкости; гидравлика и гидравлические машины; гидравлика и гидропневмоавтоматика; гидравлика, гидрология и гидрометрия; гидравлика, водоснабжение и канализация; гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод; гидравлика и гидропневмосистемы; гидродинамика и основы тепломассообмена; основы тепломассообмена; процессы и аппараты и др.
Данное устройство предназначено для наглядной учебной демонстрации и выявления закономерностей при лабораторных исследованиях:
- уравнения Бернулли;
- режимов движения жидкости;
- потерь напора по длине трубы;
- местных потерь напора;
- истечения жидкости через отверстия и насадки;
- методов и приборов для измерения расхода жидкости;
- гидравлического удара в напорном трубопроводе;
- режимов работы центробежного насоса;
- последовательной и параллельной работы центробежных насосов;
- кавитации в центробежном насосе.
Из существующего уровня техники известен стенд гидравлический универсальный ТМЖ-2 для изучения гидродинамических процессов, который выполнен из одного стола, имеющего горизонтальную установочную поверхность, на которой размещено одно из нескольких сменных устройств-модулей, например для определения гидравлического сопротивления, выполненное из металлических труб, а на вертикальной поверхности, прикрепленной к заднему краю горизонтальной установочной поверхности расположено несколько пьезометров для визуального наблюдения перепадов давления в различных сечениях круглых металлических труб, соединенных между собой последовательно. Кроме того, на вертикальной поверхности прикреплено несколько поплавковых ротаметров, позволяющих измерять расход протекающей в трубах жидкости, подаваемой центробежным насосом, размещенным над горизонтальной поверхностью [1].
Известно учебное оборудование для ВУЗов - стенд "Гидравлика - ГД", принятый в качестве прототипа. Стенд выполнен из одного стола на горизонтальной поверхности которого размещено устройство, выполненное из стеклянных труб разного диаметра, позволяющее при движении по ним жидкости изучать их гидравлическое сопротивление при различных числах Рейнольдса, а на вертикальной поверхности, прикрепленной к краю горизонтальной поверхности, расположены несколько пьезометров для визуального наблюдения перепадов давления в различных сечениях круглых стеклянных труб, соединенных между собой последовательно [2].
Недостатками приведенных стендов является то, что они не оборудованы элементами, позволяющими изучать явления истечения жидкости из отверстий и насадков, гидравлического удара; методы и приборы измерения расхода жидкости, параметры работы одного и двух, различным образом соединенных, насосов, а также то, что часть функциональных элементов стендов скрыта под их поверхностями, что не позволяет в процессе проведения исследований в полной мере представить весь технологический процесс работы стенда.
Задача изобретения - объединение в одном универсальном лабораторном стенде основных лабораторных работ по курсу гидравлика (механика жидкости и газа) и курсам с эквивалентным наименованием, с целью сокращения количества базовых элементов, входящих в состав стендов по каждой лабораторной работе, обеспечения многофункциональности и многократности их использования и, как следствие, уменьшение площади, занимаемой лабораторным оборудованием, стоимости оборудования, повышения наглядности, проводимых лабораторных работ и визуальной и технической доступности функциональных элементов стенда.
Поставленная задача решается тем, что на пространственной раме смонтированы напорные и приемный баки, насосы, а также напорный и сливной трубопроводы общие для всех секций стенда. Между, вертикально расположенными, напорным и сливным трубопроводами размещены секции стенда, представляющие собой, горизонтально, на разных уровнях расположенные трубопроводы на которых смонтированы исследуемые элементы и подключены измерительные приборы. Секции отделяются от напорного и сливного трубопроводов кранами. В напорном баке, в процессе работы стенда, поддерживается постоянный уровень за счет непрерывной циркуляции жидкости, постоянно нагнетаемой насосом из приемного бака в напорный и перелива ее в обратном направлении. Движение жидкости из напорного бака через секции в приемный бак происходит под действием силы тяжести при постоянном напоре. На общем сливном трубопроводе установлены приборы для измерения расхода жидкости различных типов, обеспечивающие измерение расхода при проведении всех лабораторных работ.
Секция I представляет собой расположенную под углом к горизонту прямоугольную трубу, изготовленную из прозрачного материала, в центре трубы выполнено плавное сужение и расширение. В трубопроводе выделено пять сечений, одно в центре тяжести трубы в узком сечении, и по два в широких частях трубы до и после сужения симметрично центра тяжести. В каждом сечении подключены два прибора - пьезометр присоединен гибкой трубкой к боковой стенке трубопровода на уровне центра тяжести живого сечения потока и трубка полного напора введена в верхней части трубы до центра тяжести живого сечения потока, изогнута и развернута против направления движения потока. Все приборы выведены на общий пьезометрический щит. Секция I предназначена для исследования уравнения Бернулли.
Секция II представляет собой, горизонтально расположенную, прозрачную трубу, вначале которой, по ходу движения жидкости, в центр тяжести живого сечения введена тонкая трубка соединенная гибким шлангом с баком, содержащим чернила, подача чернил регулируется краном. В конце прозрачной трубы установлен вентиль, позволяющий плавно изменять расход потока жидкости и ротаметр, измеряющий расход. Температура воды контролируется цифровым термометром. Секция II предназначена для исследования режимов движения жидкости.
Секция III представляет собой горизонтальный трубопровод, к которому на определенном расстоянии друг от друга подключены два пьезометра. В конце трубы, по ходу движения жидкости установлен кран, позволяющий изменять расход жидкости. Температура воды контролируется цифровым термометром. Секция III предназначена для исследования потерь напора по длине трубы.
Секция IV представляет собой трубопровод, на котором выполнены различные местные сопротивления - резкий поворот на 90°, плавный поворот на 90°, резкое расширение, резкое сужение, плавное расширение, плавное сужение, шаровой кран, вентиль, задвижка. Перед каждым местным сопротивлением и после к трубопроводу присоединены пьезометры, которые выведены на общий пьезометрический щит. Секция IV предназначена для исследования местных потерь напора.
Секция V включает отдельный напорный бак, в котором в процессе работы стенда, поддерживается постоянный уровень за счет непрерывной циркуляции жидкости, постоянно нагнетаемой насосом из приемного бака в напорный и перелива ее в обратном направлении и три индивидуальных приемных мерных бака, со сливом в общий приемный бак и возможностью перекрытия слива. В напорном баке, на определенном расстоянии от его дна и стенок, выполнено отверстие в тонкой стенке и вмонтированы цилиндрический и конический сходящийся насадки. Насадки и отверстие располагаются таким образом, что оси их выходных отверстий совпадает с продольной осевой линией приемных мерных баков. Секция V предназначена для исследования истечения жидкости из отверстий и насадков.
Секция VI представляет собой общий сливной трубопровод на котором, на определенном расстоянии друг от друга смонтированы приборы для измерения расхода различных типов, соответствующие разным методам измерения расхода. Секция VI предназначена для исследования методов и приборов для измерения расхода жидкости.
Секция VII представляет собой длинный трубопровод, в который жидкость подается из приемного бака центробежным насосом и сливается через общий сливной трубопровод и установленные на нем расходомеры. В конце длинного трубопровода, в том месте, где он присоединяется к сливному на трубопроводе установлен нормально открытый электромагнитный клапан, закрывающийся при нажатии кнопки, замыкающей контакты питания обмотки клапана. Перед клапаном установлен датчик давления с памятью максимального и минимального давления в трубопроводе. Секция VII предназначена для исследования гидравлического удара в напорном трубопроводе.
Секция VIII представляет собой систему трубопроводов, в которой установлены два центробежных насоса и система кранов, позволяющая соединять насосы последовательно, параллельно или исследовать один насос. Всасывающий трубопровод каждого насоса соединен с приемным баком и оборудован датчиком избыточного давления и вакуума, напорные трубопроводы соединены с общим сливным трубопроводом и установленным на нем расходомером. К общему напорному трубопроводу присоединен датчик избыточного давления и установлен вентиль для регулирования подачи насосов. Насосы подключены к электрической сети через цифровой ваттметр. Секция VIII предназначена для исследования режимов работы центробежного насоса, последовательной и параллельной работы центробежных насосов и кавитации в центробежном насосе.
Новизна предложенного технического решения состоит в том, что, с целью сокращения количества базовых элементов, входящих в состав стендов по каждой лабораторной работе, обеспечения многофункциональности и многократности их использования и, как следствие, уменьшение площади, занимаемой лабораторным оборудованием, стоимости оборудования, повышения наглядности, проводимых лабораторных работ и визуальной и технической доступности функциональных элементов стенда в одном универсальном лабораторном стенде объединены основные лабораторные работы по курсу гидравлика (механика жидкости и газа) и курсам с эквивалентным наименованием. Достигнуто это тем, что на пространственной раме смонтированы напорные и приемный баки, насосы, а также напорный и сливной трубопроводы общие для всех секций стенда. Между, вертикально расположенными, напорным и сливным трубопроводами размещены секции стенда, представляющие собой, горизонтально, на разных уровнях расположенные трубопроводы на которых смонтированы исследуемые элементы и подключены измерительные приборы. Секции отделяются от напорного и сливного трубопроводов кранами. В напорном баке, в процессе работы стенда, поддерживается постоянный уровень за счет непрерывной циркуляции жидкости, постоянно нагнетаемой насосом из приемного бака в напорный и перелива ее в обратном направлении. Движение жидкости из напорного бака через секции в приемный бак происходит под действием силы тяжести при постоянном напоре. На общем сливном трубопроводе установлены приборы для измерения расхода жидкости различных типов, обеспечивающие измерение расхода при проведении всех лабораторных работ.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен учебно-лабораторный стенд, вид спереди; на фиг.2 - учебно-лабораторный стенд, вид сзади; на фиг.3 - учебно-лабораторный стенд, вид сверху.
Гидравлический универсальный лабораторный стенд состоит из пространственной рамы 1, на которой смонтированы напорные 2, 3 и приемный 4 баки, насосы 5, 6, а также напорный 7 и сливной 8 трубопроводы общие для всех секций стенда. Между, вертикально расположенными, напорным 7 и сливным 8 трубопроводами размещены секции стенда, представляющие собой, горизонтально, на разных уровнях расположенные трубопроводы на которых смонтированы исследуемые элементы и подключены измерительные приборы. Секции отделяются от напорного 7 и сливного 8 трубопроводов кранами. В напорном баке 2, в процессе работы стенда, поддерживается постоянный уровень за счет непрерывной циркуляции жидкости, постоянно нагнетаемой насосом 5 из приемного бака 4 в напорный 2 и перелива ее в обратном направлении. Движение жидкости из напорного бака 2 через секции в приемный бак 4 происходит под действием силы тяжести при постоянном напоре. На общем сливном трубопроводе 9 установлены приборы для измерения расхода жидкости различных типов, обеспечивающие измерение расхода при проведении всех лабораторных работ.
Секция I представляет собой расположенную под углом к горизонту прямоугольную трубу 10, изготовленную из прозрачного материала, в центре трубы выполнено плавное сужение и расширение. В трубопроводе выделено пять сечений, одно в центре тяжести трубы в узком сечении, и по два в широких частях трубы до и после сужения симметрично центра тяжести. В каждом сечении подключены два прибора - пьезометр присоединен гибкой трубкой к боковой стенке трубопровода на уровне центра тяжести живого сечения потока и трубка полного напора введена в верхней части трубы до центра тяжести живого сечения потока, изогнута и развернута против направления движения потока. Все приборы выведены на общий пьезометрический щит 11.
Секция II представляет собой, горизонтально расположенную, прозрачную трубу 12, вначале которой, по ходу движения жидкости, в центр тяжести живого сечения введена тонкая трубка 13 соединенная гибким шлангом 14 с баком 15, содержащим чернила, подача чернил регулируется краном 16, в конце прозрачной трубы установлен вентиль 17, позволяющий плавно изменять расход потока жидкости и ротаметр 18, измеряющий расход, температура воды контролируется цифровым термометром 19.
Секция III представляет собой горизонтальный трубопровод 20, к которому на определенном расстоянии друг от друга подключены два пьезометра. В конце трубы, по ходу движения жидкости установлен кран 21, позволяющий изменять расход жидкости. Температура воды контролируется цифровым термометром 19.
Секция IV представляет собой трубопровод 22, на котором выполнены различные местные сопротивления - резкий поворот на 90°, плавный поворот на 90°, резкое расширение, резкое сужение, плавное расширение, плавное сужение, шаровой кран, вентиль, задвижка. Перед каждым местным сопротивлением и после к трубопроводу присоединены пьезометры, которые выведены на общий пьезометрический щит 23.
Секция V включает отдельный напорный бак 3, в котором в процессе работы стенда, поддерживается постоянный уровень за счет непрерывной циркуляции жидкости, постоянно нагнетаемой насосом 5 из приемного бака 4 в напорный 3 и перелива ее в обратном направлении и три индивидуальных приемных мерных бака 24, со сливом в общий приемный бак 4 и возможностью перекрытия слива. В напорном баке 3, на определенном расстоянии от его дна и стенок, выполнено отверстие в тонкой стенке и вмонтированы цилиндрический и конический сходящийся насадки. Насадки и отверстие располагаются таким образом, что оси их выходных отверстий совпадает с продольной осевой линией приемных мерных баков 24.
Секция VI представляет собой общий сливной трубопровод 9 на котором, на определенном расстоянии друг от друга смонтированы приборы для измерения расхода различных типов, соответствующие разным методам измерения расхода.
Секция VII представляет собой длинный трубопровод 25, в который жидкость подается из приемного бака 4 центробежным насосом 5 и сливается через общий сливной трубопровод 9 и установленные на нем расходомеры. В конце длинного трубопровода, в том месте, где он присоединяется к сливному на трубопроводе установлен нормально открытый электромагнитный клапан 26, закрывающийся при нажатии кнопки 27, замыкающей контакты питания обмотки клапана. Перед клапаном установлен датчик давления 28 с памятью максимального и минимального давления в трубопроводе.
Секция VIII представляет собой систему трубопроводов, в которой установлены два центробежных насоса 5, 6 и система кранов, позволяющая соединять насосы последовательно, параллельно или исследовать работу одного насоса. Всасывающий трубопровод 29 каждого насоса соединен с приемным баком 4 и оборудован датчиком избыточного давления и вакуума 30, напорные трубопроводы 31 соединены с общим сливным трубопроводом 9 и установленным на нем расходомером 32, к общему напорному трубопроводу присоединен датчик избыточного давления 33 и установлен вентиль 34. Насосы 5, 6 подключены к электрической сети через цифровой ваттметр 35.
Перед работой приемный бак 4 заполняется жидкостью, насос 5 нагнетает рабочую жидкость из приемного бака 4 через систему трубопроводов в напорный бак 2, при заполнении которого жидкость через переливные трубопроводы 36 сливается обратно в приемный бак 4, таким образом, в напорном баке 2 поддерживается постоянный напор. При использовании секции I для выполнения лабораторной работы открывают краны отделяющие секцию I от напорного 7 и сливного 8 трубопроводов, жидкость из напорного бака 2 под действием силы тяжести проходит через трубопровод 10, сливной трубопровод 8 и сливается через общий сливной трубопровод 9, проходя при этом через расходомеры в приемный бак 4. Когда жидкость проходит через, выделенные, сечения трубопровода 10 приборы, установленные в сечениях, фиксируют пьезометрический и полный напор потока жидкости. При использовании секции II открывают краны отделяющие секцию II от напорного 7 и сливного 8 трубопроводов, жидкость из напорного бака 2 под действием силы тяжести проходит через прозрачную трубу 12, вентиль 17, расходомер 18, сливной трубопровод 8 и через общий сливной трубопровод 9 в приемный бак 4. Через трубку 14 из бачка с чернилами 15 и кран 16 в прозрачную трубу 12 подаются чернила, наличие которых в потоке позволяет определить режим движения жидкости, при этом регулируя расход потока жидкости краном 17 в прозрачной трубе 12 можно установить различные режимы движения жидкости. При использовании секции III открывают краны отделяющие секцию III от напорного 7 и сливного 8 трубопроводов, жидкость из напорного бака 2 под действием силы тяжести проходит через трубопровод 20, сливной трубопровод 8 и общий сливной трубопровод 9 в приемный бак 4. При движении жидкости по трубопроводу 20 пьезометрами, установленными в начале и в конце трубопровода, фиксируются пьезометрические напоры, расходомерами, установленными на общем сливном трубопроводе 9, расход жидкости и температура жидкости определяется с помощью датчика температуры 19, что позволяет определить потери напора по длине опытным путем и рассчитать теоретически. При использовании секции IV открывают краны отделяющие секцию IV от напорного 7 и сливного 8 трубопроводов, жидкость из напорного бака 2 под действием силы тяжести проходит через трубопровод 22 и, соответственно, через различные местные сопротивления, сливной трубопровод 8 и общий сливной трубопровод 9 в приемный бак 4. При движении жидкости пьезометры, установленные до и после каждого местного сопротивления, фиксируют пьезометрический напор, расходомеры, установленные на общем сливном трубопроводе 9, фиксируют расход потока жидкости, что позволяет оценить величину местных потерь в каждом местном сопротивлении и сравнить с расчетными значениями. При использовании секции V насос 5 нагнетает рабочую жидкость из приемного бака 4 через систему трубопроводов в напорный бак 3, при заполнении которого жидкость через переливные трубопроводы 36 сливается обратно в приемный бак 4, таким образом, в напорном баке 3 поддерживается постоянный напор. При этом через отверстие в тонкой стенке и присоединенные к баку цилиндрический и конический сходящийся насадки жидкость вытекает в приемные мерные баки 24, из которых жидкость сливается обратно в приемный бак 4. При истечении жидкости фиксируются параметры процесса истечения, что позволяет определить коэффициенты расхода сжатия и скорости опытным путем и сравнить их с табличными. При использовании секции VI насос 5 нагнетает рабочую жидкость из приемного бака 4 через систему трубопроводов в общий сливной трубопровод 9 и через установленные на нем различные типы расходомеров обратно в приемный бак 4. Определение расхода различными типами расходомеров позволяет изучить их принцип действия и оценить степень точности разных способов измерения расхода. При использовании секции VII насос 5 нагнетает рабочую жидкость из приемного бака 4 через длинный трубопровод 25, датчик давления 28, нормально открытый электромагнитный клапан 26 в общий сливной трубопровод 9 и через установленные на нем различные типы расходомеров обратно в приемный бак 4. При движении жидкости нажатием кнопки 27 подается напряжение на обмотку электромагнитного клапана 26, в результате клапан закрывается и в трубопроводе 25 возникает гидравлический удар, повышение давления при гидравлическом ударе фиксируется датчиком давления 28 с памятью максимального и минимального давления в трубопроводе, расход жидкости определяется расходомерами, установленными на общем сливном трубопроводе 9. Фиксация давления в напорном трубопроводе позволяет определить опытное повышение давления при гидравлическом ударе и сравнить его с расчетным значением. При использовании секции VIII жидкость из приемного бака 4, через всасывающий трубопровод 29, с установленным на нем датчиком избыточного давления и вакуума 30, насосом 5 нагнетается в напорный трубопровод 31, с установленным на нем датчиком избыточного давления 33, далее в общий сливной трубопровод 9, через расходомер 32 и кран 34 обратно в приемный бак 4. Изменение расхода с помощью крана 34 и фиксирование параметров работы насоса на различных режимах, позволяет получить характеристику центробежного насоса и его кавитационную характеристику. Для испытаний двух центробежных насосов 5 и 6, соединенных параллельно и последовательно с помощью сети трубопроводов и системы кранов соединяют насосы вначале последовательно с последующий фиксацией параметров насосов на разных режимах работы, затем параллельно с последующий фиксацией параметров насосов на разных режимах работы. Источники информации:
1. http://www.rosuchpribor.ru/russian/prof/mehzhidk/tmg2.html
2. http://www.rosuchpribor.ru/russian/prof/mehzhidk/gidrodin.html