Гидравлика

Москва

ИНФРА-М

201ГИДРАВЛИКА

УЧЕБНИК

А.П. Исаев
Н.Г. Кожевникова
А.В. Ещин

Рекомендовано Учебно-методическим объединением

вузов Российской Федерации по агроинженерному

образованию в качестве учебника

для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия»

И85

УДК 556(075.8)
ББК 30.123я73

И 85

Исаев А.П.

Гидравлика : учебник / А.П. Исаев, Н.Г. Кожевникова, А.В. Ещин. — 

М. : ИНФРА-М, 2019. — 420 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс; Режим доступа http://www.znanium.com]. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/7680.

ISBN 978-5-16-009983-5 (print)
ISBN 978-5-16-101642-8 (online)

Изложены основы физических свойств жидкости, гидростатика, гидро
динамика. Представлены основные сведения о гидравлических машинах, 
гидродинамических передачах, объемном гидравлическом и пневматиче ском 
приводах, рассмотрены вопросы мелиорации и механизации орошения, 
водоснабжения, гидропневмотранспорта и гидроэнергетики.

Соответствует требованиям Федерального государственного образова
тельного стандарта высшего образования последнего поколения.

Предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся 

по направлению подготовки 35.03.06 «Агро инже нерия», а также может быть 
использован  при изучении курса «Гидравлика» студентами других технических направлений подготовки и специальностей.

УДК 556(075.8)
ББК 30.123я73

Р е ц е н з е н т ы:

В.К. Спиридонов, канд. техн. наук, профессор кафедры сельскохозяйственных, 

мелиоративных и строительных машин Брянской государственной сельскохозяйственной академии; 

Ю.И. Сухарев, д-р техн. наук, профессор кафедры мелиорации и рекультива
ции земель МГУ Природообустройства

ISBN 978-5-16-009983-5 (print)
ISBN 978-5-16-101642-8 (online) 
© Исаев А.П., Кожевникова Н.Г., Ещин А.В., 2015

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 

в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Предисловие

Настоящий учебник предназначен для подготовки бакалавров по 

направлению «Агроинженерия», атакже может быть использован при 
изучении курса «Гидравлика» студентами других технических направлений подготовки и специальностей. Некоторые разделы учебника 
могут быть рекомендованы для подготовки магистров соответствующего профиля.

В учебнике изложены законы равновесия и движения жидкости. 

Приведены основные способы расчета напорных трубопроводов иводопроводных сетей. Рассмотрены устройство, принцип действия, 
рабочий процесс, характеристики лопастных и объемных насосов, 
а также гидравлических двигателей. Даны основы гидро- и пневмопривода, гидромелиорации, механизации орошения и сельскохозяйственного водоснабжения. Представлены характеристики гидроэнергетических ресурсов, краткие сведения о гидроэнергетике. Освещены 
вопросы улучшения качества воды. Кратко изложены сведения огидропневмотранспорте.

В ЭБС даны справочные материалы, контрольные вопросы по 

разделам, перечень использованной и рекомендуемой литературы. 
Список литературы может быть использован студентами для более 
глубокого изучения отдельных вопросов.

Содержание учебника соответствует примерной рабочей програм
ме дисциплины «Гидравлика» и Федеральному государственному 
образовательному стандарту высшего профессионального образования. 

Материал, приведенный в учебнике, направлен на то, чтобы в ре
зультате освоения дисциплины «Гидравлика» студент: знал основные 
положения статики идинамики жидкости, составляющие основу расчета гидравлических систем, методы проведения теоретических расчетов гидравлических систем с использованием современных прикладных методик и средств вычислительной техники, устройство 
и принцип действия гидравлических машин; умел решать типовые 
задачи гидравлики с применением соответствующего физико-математического аппарата и электронно-вычислительных средств, применять средства измерения основных гидравлических параметров, 
использовать нормативные и справочные документы, применять полученные знания при изучении специальных дисциплин; владел методами расчета гидравлических систем иподбора гидромеханического оборудования, навыками выполнения гидравлических исследований, обработки и анализа их результатов.

Перечисленные результаты освоения дисциплины являются ос
новой для формирования у будущих специалистов общекультурных 

(умение логически верно, аргументированно и ясно строить устную 
и письменную речь, использовать всвоей деятельности нормативные 
и правовые документы — СНиП, ТУ, ГОСТ; стремление к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства, владение навыками самостоятельной работы с учебной, научной, справочной литературой; источниками информации из Интернета) ипрофессиональных (способность использовать основные законы естественнонаучных 
дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы 
математического анализа и моделирования, решать инженерные задачи с использованием основных законов гидравлики; знать устройство и правила эксплуатации гидравлических машин; способность 
проводить и оценивать результаты измерений, осуществлять сбор 
и анализ исходных данных для расчета и проектирования) компетенций.

Учебник основан на многолетнем опыте преподавания дисципли
ны «Гидравлика» и смежных с ней учебных дисциплин на кафедре 
«Гидравлика и гидравлические машины» ФГБОУ ВПО «Московский 
государственный агроинженерный университет им. В.П.Горячкина», 
также при его подготовке авторы обращались к подготовленному 
А.П. Исаевым, Б.И. Сергеевым и В.А. Дидуром еще в 1990 г. учебному 
пособию «Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных 
процессов».

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам за ценные 

замечания исоветы, которые они дали впроцессе подготовки рукописи, а также будут признательны всем, кто пришлет свои предложения 
по улучшению содержания учебника.

введение.
Предмет и краткая история развития 
гидравлики

Гидравлика изучает законы покоя и движения жидкости и разра
батывает методы их практического приложения.

Теоретической основой гидравлики является гидромеханика, пред
ставляющая собой специальную область теоретической механики.

Теоретическая механика — наука о равновесии и движении мате
риальных тел, устанавливающая связь между силами и вызываемым 
ими движением.

В теоретической механике используется понятие о материальной 

точке и системе материальных точек.

Под материальной системой может подразумеваться дискретная 

система, состоящая из отдельных, определенным образом связанных 
между собой материальных точек или тел (солнечная система), атакже сплошная система, представляющая собой непрерывно распределенную массу вещества в определенном объеме.

Первая система является предметом изучения теоретической ме
ханики. Изучением изменяемых сплошных сред занимается наука, 
именуемая механикой сплошных сред, где рассматриваются упругие, 
пластические, жидкие и газообразные тела. Между названными телами имеются существенные различия, состоящие ввеличине исвойствах деформаций, вызываемых действующими на них силами.

Поэтому механика сплошных сред в свою очередь разделяется на 

две самостоятельные области: механику упругих тел имеханику жидкости и газа. Механика упругих тел, или теория упругости, занимается исследованием тел, у которых сцепление между частицами достаточно велико, что определяет наличие касательных напряжений 
в покоящемся теле при его деформации.

Но вприроде имеются такие тела, вкоторых сцепление между час
тицами настолько мало, что приводит при воздействии сил к  возникновению больших деформаций и исключает возможность возникновения касательных напряжений в покоящемся теле. К таким телам 
относятся жидкость и газ, изучением которых занимается механика 
жидкости и газа.

В силу сказанного можно дать такое определение жидкости. Жид
кость — это физическое тело, которое обладает свойством текучести 
или легкой подвижности, т.е. способностью приходить в состояние 
движения под действием любых сил, и в котором в состоянии равновесия отсутствуют касательные напряжения.

При относительном покое внутреннее трение в жидкости отсут
ствует, тогда как в упругой среде или твердом теле касательные напряжения, обусловленные наличием деформации сдвига, отличны от нуля 
и при относительном покое среды.

В жидкости, как и в газе, не возникает сил упругости при измене
нии формы тела. В связи с этим жидкое тело не обладает собственной 
формой и принимает под действием сил гравитации форму сосуда, 
вкоторый налито. Обладая общими свойствами непрерывности илегкой подвижности, жидкости и газы отличаются друг от друга по физическим свойствам, связанным с различием во внутренней молекулярной структуре.

Жидкость обладает вполне определенным объемом, тогда как газ 

не имеет ни формы, ни определенного объема, он занимает весь объем сосуда, в котором находится.

Жидкости в отличие от газов можно считать малосжимаемыми. 

Газы обладают значительной сжимаемостью, в тысячи раз большей, 
чем жидкости. Однако в случае малых перепадов давлений, малых 
скоростей движения и отсутствия значительного нагрева газ можно 
с достаточной степенью приближения рассматривать как несжимаемый. Именно в этом случае законы гидромеханики являются одинаковыми для жидкости и газа.

В связи сэтимобщепринято называть ижидкость, игаз одним итем 

же словом — «жидкость», различая их как капельную и газообразную 
жидкость только в том случае, когда важно подчеркнуть те или иные 
их свойства, прежде всего сжимаемость. Поэтому гидродинамику 
часто выделяют как динамику несжимаемой жидкости. 

Выше было дано определение гидравлики как прикладной части 

гидромеханики. Однако на современном этапе развития физико-математических итехнических наук грань между гидромеханикой игидравликой стирается, так какметоды исследований сближаются истановятся одной совокупностью аналитических и экспериментальных 
способов исследования.

Трудно указать в данное время отрасль техники, развитие которой 

не находилось бы в теснейшей связи с разрешением задач гидромеханики и практическим применением установленных этой наукой 
законов: гидротехника, гидроэнергетика и гидромашиностроение 
(трубопроводы, гидротурбины, насосы, гидравлические прессы и т.п.), 
гидрология, метеорология и океанология и многие другие науки и отрасли производства базируются на использовании данных гидромеханики. Исключительно важное значение имеет гидравлика и в сельскохозяйственном производстве.

Гидравлика является основополагающей в таких отраслях науки 

итехники, как гидромелиорация, водоснабжение, канализация, гидропневмотранспорт, вопросы сепарации. На данных гидравлики игидро

механики строятся расчеты сепарирующих устройств, кондиционирование помещений и др.

Гидравлика — исключительно древняя наука. В Египте, Сирии 

и Китае еще за 3…4 тыс. лет до н.э. умели строить плотины на реках, 
оросительные системы, а также корабли.

Одним из первых сочинений по гидравлике, дошедших до наших 

дней, является трактат греческого физика и математика Архимеда 
(жившего в 200-х гг. до н.э.) «О плавании тел». Закон Архимеда о силе 
давления жидкости на погруженное в нее тело дошел до наших дней 
в неприкосновенности.

В конце ХV в. Леонардо да Винчи (1452–1519) написал труд «Одви
жении воды в речных сооружениях», где изложил свои соображения 
по постройке гидротехнических сооружений. Однако его записки были 
опубликованы лишь 400 лет спустя.

В ХVIIв. вобласти гидравлики работает плеяда знаменитых ученых. 

Вих числе итальянский астроном Галлилей, опубликовавший трактат 
о законах плавания, его ученик Торичелли, давший известную формулу скорости истечения из отверстия, французский физик Паскаль, 
открывший закон передачи внешнего давления в жидкости, английский физик Ньютон, заложивший основы учения о законах трения 
в жидкости. Однако теоретические основы гидромеханики и гидравлики были заложены в середине ХVIII в. Д. Бернулли и Л. Эйлером 
в период их работы вРоссийской академии наук вПетербурге. Д.Бернулли обосновал основополагающую теорему о запасе энергии движущейся частицы жидкости. Л. Эйлер дал основные дифференциальные уравнения идеальной жидкости, положившие начало теоретической гидромеханики.

Основы теории движения вязкой жидкости были заложены фран
цузским ученым Л. Навье на рубеже XVIII–XIX вв. и английским физиком и  математиком Дж. Стоксом.

В тот же период начинается бурное развитие инженерной гидрав
лики, в котором большие заслуги принадлежат нашим соотечественникам.

Хорошо известны работы Д.И. Менделеева по развитию учения 

о газах, академика Н.Н. Павловского по вопросам фильтрации жидкости. Исключительное значение в области аэродинамики имеют 
работы Н.Е. Жуковского и многих других русских, а затем и советских 
ученых. Со многими их именами мы познакомимся в процессе изучения материала.

раздел 1 
гидравлика

глава 1.1.
ФизиЧеские своЙства
и Характеристика Жидкости

Модель жидкости, являющейся предметом изучения гидравлики, 

предполагает непрерывное распределение вещества вданном жидком
теле.

Количество этого жидкого вещества в данном объеме характери
зуется массой. Механическое определение массы — это отношение 
веса G данного жидкого тела к ускорению свободного падения g:

.
G
m
g
=

Так как различные вещества могут иметь различную массу, занимая 

один и тот же объем, для их характеристики введено понятие плотности.

Плотностью (удельной массой) жидкого тела ρ называется масса, 

содержащаяся в единице объема. Для однородной жидкости, изучаемой в гидравлике, формула плотности имеет вид

m
W
ρ =
 (кг/м3),
(1.1)

где
m – масса, содержащаяся в объеме W.

Удельным весом γ называется вес единицы объема жидкости, т.е.

G
W
γ =
 (Н/м3),
(1.2)

где
G – вес жидкости, содержащейся в объеме W.

Подставляя вформуле (1.2) G
m g
=
⋅ , можно получить соотношение 

между удельным весом γ и плотностью жидкости ρ:

.g
γ = ρ⋅
(1.3)

Относительным весом δ называется отношение веса данной жид
кости к весу дистиллированной воды, взятой в том же объеме при 
температуре 4 °С.

Температурное расширение — способность жидкости изменять свой 

объем в процессе ее изобарического нагрева. Это свойство жидкости 
характеризуется коэффициентом температурного расширения βt, который выражает относительное изменение объема W при изменении 
температуры на 1 °С, т.е.

1
,
t

dW

W
dt
β =
⋅
 (1/град).
(1.4)

Коэффициент температурного расширения βt зависит от величины 

температуры и давления. Так, для воды при температурах t = 1…10 °С 
идавлении р= 105 Па βt = 0,0015 1/град, а при t= 90…100 °С и p = 107 Па 
βt = 0,00072 1/град. Для нефти коэффициент температурного расширения в 1,5…2 раза больше, чем для воды.

Сжимаемость жидкостей — свойство жидкости изменять свой 

объем под действием давления, характеризуется коэффициентом объемного сжатия, который равен относительному изменению объема 
W при изменении давления на 105 Па и определяется по формуле

1
,
p

dW

W
dp
β = −
⋅
(1/Па).
(1.5)

Знак «минус» обусловлен тем, что положительному приращению 

давления р соответствует уменьшение объема W.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называет
ся модулем объемной упругости жидкости:

1

p

E = β  (Па).
 (1.6)

В среднем для воды E ≈ 2100 МПа, т.е. при изменении давления на 

105 Па объем воды уменьшается в
1

21 000 раза. Для нефти Е= 1850 МПа.

Силы, действующие в жидкости. Действующие в жидкости силы 

подразделяются на массовые и поверхностные.

Массовые силы приложены кчастицам жидкой среды, заполняющим 

данный объем, и действуют на каждый элемент объема независимо 
от того, существуют или нет рядом с этим элементом объема другие 
частицы жидкости; примером их служат сила тяжести исила инерции.

Поверхностные силы действуют на поверхность жидкости (наружную 

или внутреннюю) и зависят от площади этой поверхности. К ним относятся силы взаимодействия между частицами, трение жидкости 
оповерхность твердого тела, давление тела на обтекающую его жидкость.

Внутренние силы — это группа поверхностных сил. При их опре
делении пользуются методом сечений (как всопротивлении материалов), состоящим в мысленном отбрасывании части объема жидкости 

и замене его действия на оставшийся объем силами, сплошным образом распределенными по его поверхности. Это реально действующие 
силы, силы, с которыми частицы взаимодействуют между собой. При 
рассмотрении этих сил обычно пользуются понятием напряжений, 
которое определяется из выражения

0
lim
(Па),
R

ω→
σ =
ω
(1.7)

где
R — внутренняя сила; ω — площадь поверхности, на которую 
она действует.

Как известно, в упругом теле возможны три вида напряжений: 

растягивающие, сжимающие и касательные.

При определенных условиях жидкость способна сопротивляться 

очень большим растягивающим усилиям. Это сопротивление возникает только в дегазированных жидкостях. При нормальных условиях 
наличие в жидкостях мельчайших твердых частиц или пузырьков воздуха (газа) приводит к резкому снижению ее сопротивления растягивающим усилиям, поэтому на практике растягивающими напряжениями в жидкости пренебрегают. 

Касательные напряжения вжидкости возникают только при ее дви
жении и называются напряжениями трения.

По гипотезе И. Ньютона (1686 г.), обоснованной экспериментально 

профессором Н.П. Петровым (1883 г.), сила внутреннего трения Т вжид
кости пропорциональна градиенту скорости du

dy по нормали, площади 

трения ω и коэффициенту, характеризующему вязкость жидкости μ:

du
T
dy
= µω

или напряжения трения (рис. 1.1)

,
du
dy
τ = µ
(1.8)

где
μ — коэффициент динамической вязкости, представляющий 
собой силу трения, приходящуюся на единицу поверхности 
при градиенте скорости, равном единице. 

Единица вязкости всистеме СИ— паскаль-секунда (Па·с). Вчесть 

Пуазейля единица вязкости была названа «пуаз»: 1 П = 1 г/(см · с); 
1 Па · с = 10 П.

Во многих расчетах пользуются понятием «кинематическая вяз
кость» (или коэффициент кинематической вязкости) — это отношение коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости: