Лекции по гидромашинам и компрессорам (часть 2)
Подождите немного. Документ загружается.
91
рабочих параметров, приведенным в начале параграфа. Если задано не более трех пара-
метров, а четвертый может варьировать, это означает, что задано либо h либо q. В этом
случае недостающую относительную величину выбирают по огибающей на рис. 9.14 и с
ее помощью уточняют нужное значение четвертого параметра. Далее, соответственно
известному q по графику К = f (q) определяют требуемую относительную площадь К и по
графику L
K
/d
2
= f(К) необходимую относительную длину камеры смешения.
Рис. 9.15. Зависимость относительных параметров струйных насосов от числа ..
……… Рейнольдса
Диаметр d
1
рабочего сопла насоса можно определить из выражения (9.5), если
известна скорость
1
u
в рабочей струе. Эта скорость зависит от разности напоров рабочего
потока до и после сопла, т. е. от величины Hп + Н
р
. Согласно рис. 9.10, а и выражениям
(9.3), (9.4), (9.8) и (9.9)
( )
( )
вх
2
0
р.с
2
1
22
П
1
2
1
222
z
u
z
uuu
rr
+-+=-+-=+
ggggg
p
g
p
HH
abab
p
. (9.16)
Решая совместно уравнения (9.5), (9.6), (9.11) и (9.14), получим
Kq //
10
=
uu
. (9 17)
Совместное решение уравнений (9.16) и (9.17) позволяет определить скорость
1
u
:
(
)
( )( )
(
)
(
)
pp
HHgHHgKq +=+×+-+=
Пр.сПвх
2
р.с1
221/1/1
mzzu
. (9.18)
В выражении (9.18) величина
(
)
( )( )
вх
2
р.ср.с
1/1/1
zzm
+-+= Kq представляет собой
переменный коэффициент расхода рабочего сопла. Как показано на рис. 9.13, с
увеличением полезной подачи Q
o
и соответственно q рабочий расход Q
1
и
соответственно μ
р.с
слабо возрастают. Это обусловлено понижением давления р
1
у входа
в камеру смешения с увеличением
0
u
скорости перекачиваемого потока.
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
92
После определения по уравнениям (9.5) и (9.18) диаметра d
1
сопла, из выражения
(9.14) находят диаметр d
2
= d
0
камеры смешения и, пользуясь найденным относительным
размером L
k
/ d
2
, ее длину L
K
. Рекомендуется применять диффузоры с углами раскрытия
6 - 8°. Рабочее сопло и кольцевое входное сопло камеры смешения (рис. 9.10,6)
выполняют обычно в виде плавно сходящихся коноидальных насадков. Кромку рабочего
сопла делают по возможности тонкой с относом L
C
от начала камеры (сечение 1 -1 на
рис.9.10, б) на
(
)
1
15,0 d¸ . При соблюдении этих рекомендаций можно принимать
06,004,0
р.с
¸=
z
и 1,007,0 ¸=
вх
z
.
Жесткое задание четырех основных параметров [формулы (9.3) - 9.6)] означает, что
заданы q и h. Они определяют точку на поле огибающей (см. рис. 9.14). Если она лежит
над огибающей, то создание такого насоса невозможно и требуется корректировка
задания. Если точка лежит под огибающей, то тип нужного насоса, характеризуемый
величиной К, находят подбором. Для этого, подбирая взаимосвязанные значения h
0
и q
0
по кривым h
0
= f (К) и q
0
= f (К) на рис. 9.14, строят приближенно характеристику,
проходящую через данную точку под огибающей и касающуюся огибающей. Пользуясь
значением q для точки касания определяют по кривой К = f (q) величину К нужного
насоса. Далее, пользуясь найденным значением К, определяют размеры его проточной
части так же, как было описано выше.
Приведенные характеристики и расчеты, связанные с ними, действительны, если
обеспечена бескавитационная работа струйного насоса. При чрезмерно малом давлении
p
1
(рис. 9.10, а) у входа в камеру смешения, в месте контакта двух потоков, кавитация
возникает в струйном пограничном слое, где из-за интенсивного вихреобразования
образуются области наименьшего давления р
min
= p
н.п
(p
нп
- давление паров жидкости).
Процесс смешения из-за интенсивного выделения парогазовых пузырьков нарушается, и
полезный напор Н
п
резко снижается по сравнению с нормальным.
Понижение давления в пограничном слое по сравнению с окружающим его
невозмущенным потоком пропорционально скорости этого потока:
(
)
(
)
ggpp 2//
2
0min1
dur
=- .
Используя это уравнение для условий возникновения кавитации (P
min
= Р
н.п
) и решая
его совместно с уравнением Бернулли для сечений а - а и 1 - 1 перекачиваемого потока,
получим критический напор на входе в насос:
ggg
p
g
p
H
aa
a
222g2g
2
0
2
0
вх
2
0н.п
2
кр.
u
d
u
z
u
r
u
r
+++=+= .
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
93
Из этого уравнения можно выделить критический запас давления сверх давления
насыщенных паров, соответствующего началу кавитации. Соответствующий этому запасу
давления напор
( )
g
C
g
p
HH
a
2
1
2g
2
0
вх
2
0н.п
кркр
u
dz
u
r
=++=-=D .
Критический запас напора можно представить в относительной форме. Используя
выражения (9.17) и (9.18), получим
À==
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
+
D
2
р.с
2
рП
кр
H
m
C
q
K
H
H
. (9.19)
Опытами установлено, что величина и для всех струйных насосов, работающих на
оптимальных режимах, соответствующих точкам огибающей (см. рис. 9.14), изменяется
мало:
,43123,1
<
À
<
.
Это обусловлено тем, что для однотипных по форме входов в камеру, выполненных в
виде плавных сходящихся насадков, С ≈ const. Мало изменяется для оптимальных
режимов и величина μ
р.с
. Следовательно, по выражению (9.19) легко найти
кр
HD . Экс-
плуатировать насосы во избежание кавитации надо при
(
)
крн.п
/ HgpHH
a
D>-=D
r
.
§ 9.5. ПРИМЕНЕНИЕ НАСОСОВ
Области применения и выбор типа и марки насосов
В нефтегазодобывающей промышленности насосы используют в следующих основных
целях:
1) нагнетание жидкостей в пласты для их заводнения, заполнения жидкими
углеводородами, гидроразрыва;
2) подъем жидкостей из скважин;
3) транспорт нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов;
4) водоснабжение систем заводнения пластов, промышленных предприятий и
коммунального хозяйства;
5) поддержание циркуляции жидкости:
для разрушения горных пород при бурении скважин и их очистки от выбуренной
породы (буровые насосы);
для очистки скважин от песчаных пробок (промывочные насосы);
для депарафинизации скважинного и наземного оборудования,
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
94
при обработке призабойной зоны скважины кислотой и другими химическими
реагентами, при освоении скважин,прпри освоении скважин
при подготовке и первичной обработке нефти (сепарация нефти и воды, обессоливание),
в теплообменных аппаратах и устройствах, а также для охлаждения двигателей и
компрессоров,
для смазки машин и гидравлического уплотнения валов насосов и компрессоров;
6) приготовление и кондиционирование смесей (цементных и глинистых растворов,
суспензий для гидроразрыва), подготовка воды для закачки в пласт, для питания паровых
котлов и систем охлаждения;
7) цементирование скважин;
8) гидравлическая опрессовка трубопроводов и сосудов;
9) питание водой паровых котлов;
10) питание гидроприводов различных механизмов и оборудования (см. § 59).
При комплектации насосных установок исходят из ассортимента существующих насосов.
Так же, как и другое оборудование, однотипные насосы выпускаются группами (размерными
рядами). При этом предусмотрены графики, поля которых удовлетворяют требованиям
потребителей данных насосов. Существуют размерные ряды буровых, центробежных, нефтяных и
химических насосов, а также различных видов роторных насосов.
Для относительно малых расходов жидкости и больших давлений, как правило,
предназначены возвратно-поступательные насосы, а для больших расходов при
сравнительно низких давлениях - центробежные насосы. Это объясняется тем, что
возвратно-поступательный насос тихоходный, так что повышение подачи в одном насосе
может быть достигнуто лишь увеличением рабочего объема и, следовательно, размеров и
массы машины. С другой стороны, расчетное давление центробежного насоса
повышается с увеличением частоты вращения вала и числа ступеней. Чрезмерное
увеличение того и другого связано с трудностями и снижением технико-экономических
показателей.
Пример графика с полями однотипных насосов представлен на рис. 9.16. На нем
указывают шифр насоса, частоту вращения вала, число ступеней. Подробные сведения и
полная характеристика даются в каталогах изготовителей насосов. Сводные графики
подач и напоров насосов, выпускаемых заводами СССР, содержатся в каталоге-справочнике
[8].
Насосы выбирают по подаче и давлению (или напору). Если одной точке с
координатами Q, Н соответствуют насосы разных типов, то возможные варианты
сопоставляются по технико-экономическим показателям. В зависимости от назначения на-
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
95
соса и условий эксплуатации одному и тому же показателю придается различное
значение. Например, при непрерывной работе насоса особенно важно, чтобы он имел
высокий к. п. д. Стоимость электроэнергии или топлива в этом случае является решающим
экономическим фактором. Если насос работает в условиях частых пусков и остановок, то
большое значение придается постоянной готовности и удобству запуска. Насос установки,
монтируемой на платформе транспортного средства (трактора, автомобиля, возимой
тележки), а также предназначенный для перевозки воздушным транспортом, должен быть
не только эффективным, но также легким и компактным и менее нуждаться в постоянном
наблюдении и обслуживании.
Рис. 9.16. График полей однотипных насосов (ГОСТ 10168 – 75)
Паровые насосы имеют низкий к. п. д., однако при наличии пара, используемого для
технологических целей, вариант применения парового насоса часто оказывается самым
выгодным, особенно если учесть простоту регулирования и обслуживания этого насоса.
При перекачке с малым расходом неабразивных жидкостей предпочтение отдается
роторным насосам. Они компактны и удобны в обслуживании, а их к. п. д. в связи с
усовершенствованиями в насосостроении приближается к к. п. д. возвратно-поступатель-
ных насосов.
При сопоставлении вариантов учитываются расходы по автоматизации регулирования
и управления запуском и остановкой насосов. Центробежные насосы более удобны для
регулирования, чем возвратно-поступательные, но их запуск более сложен из-за
необходимости предварительного заполнения жидкостью.
Испытания насосов
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
96
Испытания насосов имеют целью:
1) получение характеристик;
2) проверку соответствия насосов требованиям и гарантиям;
3) определение показателей надежности, сроков и объемов ремонтных работ и
потребности в запасных частях;
4) получение опытных материалов для модернизации насосов и совершенствования их
производства.
На испытания установлены стандарты: для динамических насосов - ГОСТ 6134 - 71, для
объемных - ГОСТ 17335 -79. Регламентированы виды испытаний (предварительные
заводские, приемочные, типовые, испытания на надежность и др.), виды испытательных
стендов и средства измерений, порядок проведения испытания, обработка, оформление и
оценка результатов. Каждому виду испытаний соответствуют определенное содержание
(состав) и определенное число испытываемых насосов одного типоразмера.
Измерения
Средства измерений выбирают так, чтобы относительная погрешность результата
испытания была не больше предельной, установленной стандартом для данного вида
испытания.
Частоту вращения вала или частоту циклов определяют тахометром или
строботахометром, автоматическим счетчиком числа оборотов, частотомером и прибором
для измерения скольжения электродвигателя, секундомером (при п ≤ 2 с
-1
). У электрона-
сосов измеряют напряжение и частоту сети.
Для измерения подачи насоса используют сужающие устройства (сопла, диафрагмы),
мерный бак, водослив, трубку Пито (в зависимости от условий испытания и размера
насоса), а для измерения давления - манометры и вакуумметры.
Мощность насоса или крутящий момент определяют измерением электрической
мощности двигателя (при использовании графика зависимости к. п. д. от мощности),
торсиометром, с помощью балансирного двигателя или двигателя, установленного на
качающейся платформе.
Проведение испытаний
Снятию характеристик предшествует обкатка насоса в режиме, рекомендуемом
ГОСТами. При снятии характеристики динамического насоса регулируют подачу, а для
объемного насоса - давление на выходе. Регулировочную характеристику
объемного насоса получают при номинальном давлении, изменяя регулируемый параметр
(я, 5, давление пара) от минимального к 25, 50, 75 и 100% номинального его значения.
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
97
К а в и т а ц и о н н а я х а р а к т е р и с т и к а д и н а м и ч е с к о г о
н а с о с а - зависимость напора от кавитационного запаса при постоянной подаче (рис.
9.17, а). Графики характеристики строят для минимального, номинального и ма-
ксимального Q в рабочем интервале подач (с отклонением не более 5 %).
Кавитационный запас понижают изменением давления в баке стенда с помощью вакуум-
насоса. Число точек в области от начала кавитации до полного срыва должно быть
не менее 8.
Критический кавитационный запас определяется в той точке характеристики, где
падение напора составляет 2 % от напора первой ступени или 1 м, если напор первой
ступени более 50 м.
К а в и т а ц и о н н а я х а р а к т е р и с т и к а о б ъ ё м н о г о н а с о с а -
зависимость подачи от вакуумметрической высоты всасывания при давлении насоса,
равном номинальному и не превышающем 25 % от номинального (рис. 9.17, б). Число
точек в области кавитации должно быть не менее 4.
Проверку характеристики для динамического насоса проводят, измеряя напор насоса
на стенде в трех режимах интервала подач, а на месте эксплуатации - в одном
номинальном режиме. При проверке кавитационного запаса устанавливают, что при
допускаемом запасе не происходит снижение номинального напора. При проверке
самовсасывания устанавливают способность самовсасывающего насоса заполниться
жидкостью в течение заданного времени. В центробежном электронасосе проверяют
сопротивление изоляции обмоток относительно корпуса и силу тока в рабочем интервале
подач. Действие защитных устройств проверяют путем трехкратного закрытия
отводящего трубопровода. При этом давление на выходе должно быть не более
допускаемого.
Д л я о п р е д е л е н и я с п е ц и а л ь н ы х п о к а з а т е л е й объемного насоса:
снимают индикаторную диаграмму, определяют данные работы в режиме гидродвигателя;
определяют объем внешней утечки, температуру элементов насоса, объем внутренней
утечки при неподвижных рабочих органах; характер запуска без заполнения жидкостью
(«всухую»). Для динамического насоса: продолжительность работы при закрытой
задвижке, данные работы в турбинном режиме, осевую силу и др.
И с п ы т а н и я н а н а д е ж н о с т ь существуют двух видов: 1) контрольные и
2) определительные (ресурсные). Контрольные входят в состав других испытаний и служат
для проверки показателей надежности, указанных в технической документации.
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
98
Рис. 9.17. Кавитационные характеристики насосов
При этом используется метод последовательного анализа, сущность которого состоит в
том, что при длительной работе насосов на режимах, установленных программой
испытания, фиксируют число отказов т и общее время работы испытываемых насосов до
момента отказа
å
=
N
1
jн
tt ( N - число насосов, проходящих испытания; t
j
- время работы
j - го насоса к моменту отказа). Затем подсчитывают так называемую «нормированную
наработку»
ср,0нн.н
T/tt = , где
ср,0
T - среднее время работы до отказа, указываемое в
технической документации. Испытание продолжается до получения результата испытания
либо за «уровнем приемки», либо за «уровнем браковки» (рис. 9.18, а).
Кроме того, через равные промежутки времени определяют технические показатели
насоса, а после испытания - степень изношенности элементов.
О п р е д е л и т е л ь н ы е и с п ы т а н и я продолжают до возникновения
необходимости капитального ремонта насоса или до его окончательного отказа. Во время
испытаний фиксируют: суммарное время работы к моменту измерения технических
показателей, обслуживание насоса (их характер, продолжительность, трудоемкость),
характер и причину отказов, время работы до каждого отказа, работы с насосом по
устранению отказа. На рабочем графике (рис. 9.18, б) фиксируют зависимость от времени
различных величин, а также указывают для соответствующего времени работы
порядковый номер действий с насосом и порядковый номер отказа.
Обработка результатов испытания
Согласно определению, давление насоса
(
)
(
)
2/cczzgppP
2
н
2
кнкнк
-+-+-=
rr
,
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
99
учитывая, что в измерительных трубках, согласно закону Паскаля, idemzgp
=
+
r
, и
производя замены членов, получим формулы опытных давления и напора насоса:
2
2
2
оп
2
1
2
1м2моп
F2/Q
d
d
1zgppP
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-++-=
rr
;
r
g/PH
опоп
= ,
где p
м1
, p
м2
- показания приборов, измеряющих давление на выходе и входе (при
разрежении на входе p
м1
отрицательно); z – расстояние по вертикали между
приборами; Q
оп
- опытная подача; d
2
, d
1
– диаметры отводящего и подводящего
трубопроводов; 4/dF
2
22
p
= .
Рис. 9.18. Графики испытаний насоса:
а – контрольного испытания на надёжность; б – рабочий график насоса; L – уровень
звука; q – внешняя утечка; η
н
– номинальный к. п. д.; p
н
– номинальное давление на
выходе из насоса; индексом «э» обозначены допускаемые величины; в – к определе-
нию давления погружного насоса; г – полоса допускаемых отклонений, а – номина-
ное значение напора, к. п. д.; 1, 2 – кривые, ограничивающие полосу допускаемых
отклонений
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
100
При испытании объёмного насоса последний (скоростной) член во внимание не
принимается. Для насосов с давлением более 2,5 МПа, если 02,0p
1м
< МПа, можно
принимать
2моп
pP = (ГОСТ 17335 – 79). Для погружного насоса (рис. 9. 18, в)
0p
1м
= ,
2м
zz = , 0d/d
12
= .
Относительная предельная погрешность измерения давления и напора насоса,
вычисляемая без учёта скоростного члена при
0z
=
:
2
1м1м
2
2м2м
P
pp
P
pp
P
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
÷
ø
ö
ç
è
æ
=
dd
d
;
22
PH
drdd
+= ,
где
2м
p
d
,
1м
p
d
,
dr
- относительные предельные погрешности измерения давлений и
определения плотности.
Опытная мощность при балансирном электродвигателе или двигателе,
установленном на качающейся платформе, подсчитывается по формуле
(
)
0опоп
FFln2N -=
p
,
где l – плечо двигателя или качающейся платформы; F – показание весов, F
0
-
начальное усилие на весах, включая усилие, вызываемое вентиляционным моментом.
Погрешность измерения мощности этим способом
222
nlFN
dddd
++= (символ δ
везде обозначает относительную погрешность соответствующей величины).
Кавитационный запас определяется следующим образом.
Из уравнения Бернулли
( )
2
c
zgpphzgp
2
н
1м1м0110
rrr
+++=+- .
Здесь
1м
z - отметка положения вакуумметра над точкой s.
Поэтому
g2
c
z
g
ppp
g
p
h
2
н
1м
П1м0
к
оп
++
-+
==
rr
D
D
.
С другой стороны,
( )
g2
c
hzgpp
2
н
ннн0
rr
+++= ,
откуда вакуумметрическая высота всасывания
g2
c
z
g
p
hzH
2
н
м
1м
нноп.в
---=+=
r
,
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m
Click here to buy
A
B
B
Y
Y
P
D
F
T
r
a
n
s
f
o
r
m
e
r
2
.
0
w
w
w
.
A
B
B
Y
Y
.
c
o
m