Нурутдинов Р.Г. Гидравлические машины. Учебное пособие
Подождите немного. Документ загружается.
вращающие моменты:
мощности турбины:
перепад давления в турбинах:
Если турбины турбобура работают на одной и той же жидкости (р
= const), то при изменении подачи насоса на основании общих формул подобия
можно определить все показатели работы:
При испытаниях турбин моделирование не применяется, но, при
пересчете характеристик односерийных турбобуров различных диаметров
формулы подобия необходимы.
9 КОМПРЕССОРЫ
9.1 Классификация компрессоров
Машины, с помощью которых происходят сжатие и перемещение
газов из пространства с низким давлением в область более высокого
давления, называются компрессорами.
Компрессоры, так же как и насосы, делятся на объемные и
динамические. В объемных машинах, поршневых или ротационных,
процесс характеризуется периодичностью - всасывание, сжатие и
нагнетание.
К динамическим компрессорам относятся лопастные машины (центробежные
и осевые). В них процессы сжатия и нагнетания происходят непрерывно при
движении в межлопаточных каналах.
Компрессорные машины называются по их назначению и области давления
нагнетания.
1 Вакуум-насосы -компрессорные машины, которые отсасывают газ из
пространства с давлением ниже атмосферного и, сжимая его, перемещают
в область с атмосферным давлением и выше.
2 Газодувки и нагнетатели служат для сжатия газов до 0,20,3 МПа.
3 Компрессоры низкого давления нагнетают при давлениях 0,31,0 МПа,
среднего давления 1,010,0 МПа и высокого давления 10,0300,0 МПа.
4 Вентиляторы перемещают газ при постоянном давлении (0,1-
0,115 МПа). По подаче компрессоры делятся на малые - до 10 м
3
/мин, средние -от 10
до 100 м
3
/мин и крупные с подачей свыше 100 м
3
/мин.
Поршневые компрессоры применяются в широком диапазоне
изменения давлений (0,1300,0 МПа), а подача их не превышает
500 м
3
/мин, т.е. по подаче они относятся к разряду малых средних машин.
Центробежные и осевые компрессоры - турбокомпрессоры
эффективно применять при больших подачах (свыше 50 и до 45000 м
3
/мин),
но давление нагнетания у них не более 2,0 МПа.
9.2 Применение компрессоров в нефтегазовой промышленности
В бурении в системе пневмопривода буровой установки широкое применение
получили двухступенчатые компрессоры КСМ-5, КМ-3, ВУЗ/8. Они создают давления
до 0,8-0,9 МПа и подачу 3-5 м
3
/мин.
Одним из способов освоения скважин, т.е. снижения гидростатического
давления столба промывочной жидкости, находящейся в скважине, является
компрессорный. Для этой цели используется передвижна установка четырехступенчатого
вертикального поршневого компрессора УКП-80, создающего давление 8,0 МПа и подачу
8 м
3
/мин.
В нефтегазовых промыслах компрессорные станции имеют различные
назначения: газлифтные компрессорные станции (КС), КС промысловых
газобензиновых заводов, КС высокого давления для нагнетания газов в пласт, КС для
транспорта газа на далекие расстояния.
9.3 Основные рабочие параметры компрессоров
Основными параметрами компрессоров являются подача (объемная, или массовая),
приведенная к нормальным техническим условиям, т.е. при температуре t=20С и
давлении р0,1 МПа, отношение давлений нагнетания и всасывания (степень
сжатия
Б
P
H
P
), потребляемая мощность и к.п.д.
Все эти параметры находятся в зависимости от физического
состояния газа и его термодинамических показателей, а именно:
абсолютной температуры T=t C+273K, абсолютного давления
БАРМАН
РPP
, Па (Р
МАН
- давление по манометру, Р
БАР
- атмосферное давление по
барометру) и плотности газа р, кг/м
3
(
V
1
- удельный объем м
3
/кг).
Эти параметры для идеального газа связывают уравнение
Клайперона - Менделеева для 1 кг массы:
где R - газовая постоянная (для воздуха R =287Дж/кгК)
V
ид
- удельный объем идеального газа.
Для конечных объемов газа V уравнение состояния записывается в
следующей форме:
М-масса газа, кг.
Произведение pV = L представляет собой работу.
Работа для 1 кг массы газа
pV
M
L
Дж/кг - удельная работа.
Эти уравнения применимы для расчета компрессоров, работающих в условиях
низких и средних давлений и температур. При высоких давлениях реальные газы не
подчиняются уравнению состояния идеального газа и требуют поправки на
сжимаемость
= f(p, t).
9.4 Поршневые компрессоры, их классификация
Поршневые компрессоры классифицируются по следующим принципам их
конструктивного исполнения:
1 По расположению осей компрессоры бывают горизонтальные,
вертикальные, угловые, оппозитные.
2 По числу рядов цилиндров - однорядные и многорядные.
3 По соединению поршневой группы с коленчатым валом: крейцкопфные
и безкрейцкопфные, шатун которых присоединен к поршню при помощи
плавающего пальца.
4 По приводу - приводные, газомотокомпрессоры, дизелькомпрессоры со
свободными поршнями.
5 По виду охлаждения - с водяным и с воздушным охлаждением.
6 По виду рабочего агента - воздушные, газовые.
9.5 Работа, совершаемая поршнем за один цикл.
Работа, совершаемая поршнем, равна площади индикаторной диаграммы. Эта
площадь равна S
obcd
+ S
btec
- S
aeto
.
Работа, совершаемая поршнем S = S
вc
+ S
cж
– S
выт
, S
выт
=p
H
V
Нl
-
площадь abcd - работа на вытеснение, S
ec
= -p
e
V - площадь aeto - работа на
всасывание (рисунок 9.1).
Р d
0
адиабата
политропа
изотерма
Рисунок 9.1
Найдем работу на изотермическое сжатие. Изотермическое сжатие:
pVVp
вв
,
p
p
VV
в
в
,
в
Н
вв
pn
p
ввсж
p
p
Vp
p
dp
VpS
в
ln
,
в
Н
ввсж
p
p
VpS ln
.
Таким образом, полная работа при изотермическом сжатии
Чтобы осуществить изотермическое сжатие, надо отвести все тепло,
выделяемое в процессе сжатия. В компрессоре циклы работы повторяются
с большой частотой, поэтому полный отвод тепла осуществить невозможно,
частичный же отвод тепла происходит за счет охлаждения стенок
цилиндра. В этом случае в процессе сжатия происходит изменение
температуры газа, линия сжатия поднимается еc' поднимается круче, чем
линия изотермы еc, и представляет собой политропу с показателем п > 1.
Эта политропа описывается уравнением
constpV
n
.
Площадь диаграммы ес 'da соответствует работе политропического цикла
компрессора.
Определим работу поршня за один цикл при политропическом сжатии газа:
Для адиабатического процесса по аналогии имеем:
Действительная индикаторная диаграмма (которая выражает действительную
работу) значительно отличается от теоретической, рассмотренной выше.
Когда заканчивается процесс вытеснения, не весь объем выталкивается из
рабочей камеры, часть газа остается в выемках каналов и зазоре между поршнями и
верхней крышкой цилиндра. Этот
объем называется вредным пространством. Объем
газа в рабочей камере складывается из объема действительно подаваемого после
сжатия и объема газа во вредном пространстве
Работа, затраченная на сжатие газа в рабочей камере:
Обычно с некоторым приближением принимают (рисунки 9.2,а, 9.26):
,
.подсж
SS
при этом
.
.. вррасшврсж
SS
P
н
Р
в
V
P
V
вр
V
под
V
Рисунок 9.2 - Теоретическая диаграмма с вредным пространством
Н
К
p
и
l
K
p
- потери давления.
Рисунок 9.3 - Действительная диаграмма с вредным пространством.
9.6. Производительность и подача поршневого компрессора
Производительностью компрессора называют количество газа, подаваемое им в
единицу времени, на состояние его в условиях входа в
компрессор.
Производительность является геометрической характеристикой
компрессора и определяется по формуле
,nVQ
n
где
- коэффициент подачи;
4
2
D
V
n
- для компрессора одностороннего действия;
42
2
2
m
n
D
D
V
- для компрессора двустороннего действия.
Коэффициент подачи зависит от многих факторов и определяется по формуле
;
ТГVp
где
P
- коэффициент давления учитывает сопротивление всасывающих
клапанов, наличие перепада давления в клапане вызывает расширение газа после
клапана, что уменьшает количество входящего газа
(
0,950,98);
V
- объемный коэффициент, учитывает влияние величины вредного
пространства
95,080,0,11
1
V
n
H
ВС
h
ВР
V
p
p
V
V
;
Г
- коэффициент герметичности, учитывает утечки через клапан,
поршневых кольцах и сальниках компрессора
Г
- 0,980,95;
Т
- коэффициент подогрева, учитывает повышение температуры
газа, попавшего в цилиндр благодаря соприкосновению его с горячими
стенками цилиндра и поршня: