Никишенко С.Л. Нефтегазопромысловое обрудование

Подождите немного. Документ загружается.

V - объем, описанный поршнем за один ход в м

;

Q - теоретическая подача насоса в м?/с\

Подача насоса простого действия. При ходе всасывания в цилин-

дре освобождается объем:

Этот объем заполняется всасываемой жидкостью. При ходе на-

гнетания этот же объем жидкости нагнетается в напорный трубопро-

вод, следовательно V - теоретическая подача насоса за один двойной

ход поршня.

Теоретическая подача насоса в 1 секунду:

(1.4)

Подача насоса двойного действия. При ходе поршня вправо

(см. рис. 1.1. в) в левую камеру поступает объем жидкости, равный

F • S, а при обратном в правую камеру поступает объем (F -f) • S, где

/ - площадь сечения штока, уменьшающая полезный объем цилиндра.

Тогда при одном двойном ходе теоретический объем жидкости,

поступающей в насос и нагнетаемый им, составит:

При этом теоретическая подача насоса двойного действия:

(1.5)

Подача трехпоршневого насоса простого действия. Подача та-

кого насоса, состоящего из трех насосов простого действия, равна:

(1.6)

Вопрос 1.5. Коэффициент подачи поршневых

насосов, факторы на него влияющие

Действительная подача насоса Q^ всегда меньше теоретической Q

Это обусловлено:

а) утечками жидкости через уплотнения штока или поршня

в атмосферу;

б) перетоком жидкости через уплотнения поршня внутри цилин-

дра;

-11-

в) утечками жидкости в клапанах вследствие их негерметичности

и запаздывания закрывания;

г) подсосом воздуха через уплотнения сальника;

д) дегазацией жидкости в цилиндре насоса вследствие снижения

давления в рабочей камере;

е) отставанием жидкости от движущегося поршня.

Утечки, перечисленные в пп. а), б) и в), учитываются коэффици-

ентом утечек , явления, перечисленные в пп. г) д) и е),- коэффици-

ентом наполнения

Произведение коэффициентов утечек и наполнения называется

коэффициентом подачи , который характеризует отношение дей-

ствительной подачи насоса к теоретической:

(1-7)

Коэффициент подачи зависит от качества уплотнений, степени их

изношенности, свойств перекачиваемой жидкости и режима работы

насоса. В реальных условиях коэффициент подачи колеблется от 0,85

до 0,98.

Вопрос 1.6. Графики подачи поршневых насосов

Насос одинарного действия. В правильно работающем насосе

жидкость непрерывно следует за поршнем. Объем жидкости, подава-

емой в каждый данный момент , равен мгновенной скорости пор-

шня, умноженной на его площадь. Последняя - величина постоян-

ная, следовательно, подача жидкости насосом изменяется так же, как

изменяется скорость поршня.

Зная закон изменения скорости движения поршня с кривошип-

ным приводом, получим выражение для определения мгновенного

объема подаваемой жидкости:

Так как правая часть полученного выражения отличается от ско-

рости и только постоянным множителем F, то изменение подачи на-

соса в течение хода поршня может быть графически изображено так-

же синусоидой (рис. 1.3. а), причем ординаты ее будут изображать

мгновенные подачи жидкости.

Насос двойного действия. За один оборот кривошипа насоса жид-

кость вытесняется в напорный трубопровод дважды. Если не учиты-

вать объема штока в одной из полостей насоса, то график подачи жид-

кости будет образован двумя положительными частями двух синусо-

ид (рис. 1.3. б).

-12-

Двухцилиндровый насос двойного действия. Кривошипы двух-

цилиндровых насосов двойного действия смещены на 90° по отноше-

нию ДРУ

Г к

ДРУТ- График подачи насосом жидкости будет образован

четырьмя синусоидами (рис. 1.3. в). Характерно, что нулевых значе-

ний подачи насоса за полный оборот вала насоса при этом нет, т.е.

жидкость поступает в нагнетательный трубопровод непрерывно.

Трехцилиндровый насос одинарного действия. Кривошипы на-

соса расположены под углом 120° один по отношению к другому, по-

этому суммарная подача всех трех цилиндров будет характеризоваться

графиком, полученным в результате сложения трех синусоид, сдви-

нутых на 120° по отношению друг к другу.

Рис. 1.3. Подача жидкости поршневыми насосами

Важнейший показатель, характеризующий насос объемного дей-

ствия, - степень неравномерности его подачи, отражающая отноше-

ние максимальной подачи к средней за один оборот кривошипа. Сте-

пень неравномерности m может быть определена как отношение мак-

симальной ординаты графика к высоте прямоугольника, равно-

великого по площади к этим графикам (см. рис. 1.3).

Для одноцилиндрового насоса одинарного действия:

-13-

т.е. максимальная подача превышает среднюю в 3,14 раза.

Неравномерная подача жидкости приводит к пульсации ее пото-

ка во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, увеличивая

нагрузку на привод насоса.

Неравномерность подачи насосов двойного действия и с большим

числом цилиндров определяется аналогичным образом. Коэффици-

ент неравномерности подачи жидкости для некоторых насосов имеет

следующие значения:

Одноцилиндровый насос одинарного действия 3,14

Одноцилиндровый насос двойного действия 1,57

Двухцилиндровый насос двойного действия 1,1

Трехцилиндровый насос одинарного действия 1,047

Пятицилиндровый насос одинарного действия 1,021

Поршневые насосы с нечетным количеством цилиндров более

совершенны, так как обеспечивают более равномерную подачу жид-

кости. Увеличение числа цилиндров больше трех нерационально,

поскольку достигаемый эффект незначителен, а конструкция насоса

резко усложняется.

Вопрос 1.7. Воздушные колпаки

Для уменьшения колебания давления, обусловленного неравно-

мерностью подачи насоса, применяют воздушные колпаки, устанав-

ливая их на всасывающем и нагнетательном трубопроводах. Прин-

цип действия воздушных колпаков заключается в их заполнении пе-

рекачиваемой жидкостью при увеличении мгновенной подачи выше

средней и в опорожнении при уменьшении ее ниже средней.

В результате в напорном и всасывающем трубопроводах поддер-

живается постоянной скорость движения жидкости, и влияние сил

инерции ее движения сводится к минимуму. Установка воздушных

колпаков позволяет резко улучшить параметры насосов, повысить их

подачу и надежность. Эффект от применения воздушных колпаков

тем выше, чем больше неравномерность подачи насоса - в особенно-

сти у одноцилиндровых насосов одинарного и двойного действия.

Воздушный колпак (рис. 1.4) представляет собой цилиндрический

сосуд, частично наполненный газом. При увеличении давления в тру-

бопроводе жидкость, наполняя колпак, сжимает газ, а при уменьше-

нии давления вытесняется из него сжатым газом.

Рассмотрим работу колпака достаточно большого объема, уста-

новленного на нагнетательном трубопроводе одноцилиндрового на-

соса двойного действия.

В статическом состоянии при неподвижной жидкости в трубопро-

воде газ, заполняющий верхнюю часть колпака, находится под тем

же давлением, что и жидкость.

-14-

В начале вытеснения поршнем жидкости из цилиндра (рис. 1.4,

Лаза 1) расход ее минимален и пока он не достигнет среднего, объем

жидкости, поступающей в напорный трубопровод, будет:

где - мгновенная подача насоса,

- расход жидкости из колпака.

По мере увеличения мгновенной подачи насоса расход жидкости

из колпака будет уменьшаться, а прибудет равен нулю. При

увеличении мгновенной подачи насоса выше средней (фаза 2) кол-

пак начнет наполняться и расход жидкости в напорном трубопрово-

де будет равен:

При уменьшении мгновенной подачи насоса ниже средней (фаза 3)

колпак начнет опорожняться, при этом:

Таким образом, объем воздуха в компенсаторе все время будет

изменяться от минимального V до максимального V , и в процессе

mm max

работы колпак будет аккумулировать объем жидкости, равный:

Изменению объема воздуха будет соответствовать увеличение или

уменьшение давления.

•

•3\

•шЫ*^

* ' 1

L—Н

" в '

Рис. 1.4. Схема работы воздушного колпака:

фазы работы воздушного колпака; б - график подачи

одноцилиндрового насоса двойного действия

-15-

-16-

Давление, обусловленное силами инерции, определяется по фор-

муле:

где L - приведенная длина всасывающего трубопровода.

где / - длина участка трубопровода с поперечным сечением F

Определим потери давления во всасывающем трубопроводе:

Высота всасывания:

переменная величина и зависит от угла поворота кривошипа а.

Самым опасным с точки зрения безотрывного движения жидкости за

поршнем является момент начала всасывания, когда силы инерции

жидкости максимальны. Для этого момента уравнение высоты вса-

сывания запишется следующим образом:

(1.11)

При нагнетании давление в цилиндре затрачивается на преодоле-

ние:

а) давления в конце нагнетательного трубопровода р^,

б) геодезической высоты нагнетания h\,

в) гидравлических сопротивлений нагнетательной линии р ;

г) сил инерции жидкости р.

;

д) сопротивления нагнетательного клапана р'.

Поэтому давление в полости цилиндра в момент нагнетания мо-

жет быть определено как:

Давление р

за время оборота кривошипа переменно и максималь-

но при нагнетании жидкости. Таким образом, высота нагнетания жид-

кости определяется:

В левой мертвой точке перо

будет занимать положение, соот-

ветствующее точке Е. В начале

хода всасывания при перемеще-

нии поршня вправо в цилиндре

понизится давление всасывания,

поршенек манометра при этом пе-

реместится вниз, пружина со-

жмется, в результате чего перо

прочертит линию ЕА. При ходе

всасывания давление в цилиндре

будет постоянным, и перо прочер-

тит на вращающемся барабане го-

ризонтальную линию АВ, лежа-

щую ниже линии ЕЕ, соответству-

ющей атмосферному давлению. В

конце хода всасывания давление

в цилиндре станет равным атмос-

ферному - поршенек под действи-

ем пружины вернется в исходное

положение и перо прочертит ли-

нию BE. При ходе нагнетания дав-

ление в цилиндре повысится до

давления нагнетания и поршенек

будет перемещаться вверх до тех

пор, пока давление жидкости не

уравновесится силой упругой де-

формации пружины. Перо при этом прочертит линию ЕС.

При ходе нагнетания перо прочертит линию CD вплоть до оста-

новки поршня насоса в левом мертвом положении, когда давление

в цилиндре станет равным атмосферному и пружина вернет порше-

нек в исходное положение - линия DE.

При повторении цикла работы насоса будет повторяться и траек-

тория движения пера на бумаге.

В реальных условиях диаграмма будет отличаться от идеальной

вследствие наличия воздуха, газа, паров жидкости в цилиндре, уте-

чек через уплотнения поршня и клапанов, запаздывания закрытия

и открытия клапанов, их сопротивления и т. д.

Реальная диаграмма (контур aecd, рис. 1.6.6) будет отличаться от

идеальной наличием зигзагов возле точек а и с, что объясняется гид-

равлическим сопротивлением клапанов и их колебаниями. Линии da

ос не будут вертикальными, что вызвано запаздыванием закрытия

и открытия клапанов.

• груз;

Рис. 1.6. Индикатор:

а - принципиальная схема; 1 •

2 - барабан; 3 - перо;

4 - пружина индикатора; 5 - поршень

индикатора; 6 - трехходовой кран;

б - индикаторная диаграмма

поршневого насоса (пунктирная линия -

идеальная, сплошная - реальная)

-19-

По виду индикаторной диаграммы можно судить о работе отдель-

ных узлов насоса.

Площадь, очерченная контуром индикаторной диаграммы, пред-

ставляет собой работу, совершенную поршнем за цикл. Разделив пло-

щадь индикаторной диаграммы F

на ее длину и умножив на масш-

таб пружины индикатора т, мы получим среднее индикаторное дав-

ление р .

гср

Индикаторная работа будет равна:

а индикаторная мощность (кВт):

Эта мощность определена для насоса одинарного действия.

Вопрос 1.9. Мощность и КПД поршневого насоса.

Определение мощности привода.

Для определения мощности приводного двигателя необходимо

учесть КПД насоса, равный:

КПД насоса определяется произведением механического КПД на

гидравлический.

Гидравлический КПД определяется как:

где h - манометрический напор;

h. - индикаторный напор.

Механический КПД может быть представлен в виде:

где - КПД подшипников валов (0,98...0,99);

- КПД зубчатой передачи (0,98...0,99);

- КПД кривошипно-шатунного механизма (0,95);

- КПД поршней и сальников (0,92).

Таким образом, мощность, необходимая для приведения насоса

в действие:

где Q - фактическая подача насоса;

Н - полная высота подъема жидкости.

-20-