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.