Тема 3.2 Теория компрессорных машин

Вопросыдля самоконтроля

1. С какой целью проводится очистка внутренней полости трубопровода?.

2. Назовите способы очистки внутренней полости трубопровода

3. Дайте сравнительную характеристику способам очистки внутренней полости трубопро­
вода

4. Объясните схемы очистки внутренней полости трубопровода различными способами

5. Каково устройство очистных поршней?

6. Дайте сравнительную характеристику очистным поршням различных конструкций

 

Твма 2.2 Испытание газонефтепроводов

 

Студент должен,;

знать: характеристики и технологию испыта- уметь: делать выводы по результатам испы-
ния газонефтепроводов, применяемое таний, составлять акт приемки газо-

оборудование нефтепроводов в эксплуатацию

Характеристики процесса испытания на прочность. Технология испытания на прочность и герметичность. Оборудование, применяемое при испытании газонефтепроводов.

Литература. [12]. стр.340-348: |26|. стр.474-482; CHиП III-42-80* Магистральные тру­бопроводы, стр. 59-68

Методические указания

В процессе сооружения и ремонта трубопроводов производится пооперационный кон­троль всех основных операций, который обеспечивает высокое качество магистральных тру­бопроводов. Тем не исключала возможность наличия отдельных недоброкачественных мест и дефектов. Кроме того, в линейной арматуре возможны также неплотности соединений. По окончании строительно-монтажных или ремонтных работ, укладки и полной засыпки трубо­провода, врезки постоянной линейной арматуры, а также очистки внутренней полости тру­бопровода под низким или средним давлением воздуха, трубопровод испытывается на проч­ность и плотность под высоким давлением.

Руководят этим испытанием одна и та же комиссия, организованная перед началом ис­пытания трубопровода, а также та же служба связи, контрольные посты и обходчики.

Испытание трубопроводов на прочность и плотность выполняется в две стадии: 1) на прочность под испытательным давлением и 2) на плотность после снижения давления с ис­пытательного до рабочего.

На прочность и плотность трубопровод испытывают сжатым воздухом, природным га­зом или водой в зависимости от назначения трубопровода и условий его прокладки.

Вопросы для самоконтроля

1. С какой целью проводится испытание трубопроводов на прочность и плотность?

2. Что такое испытание на прочность?

3. Назовите способы испытания трубопроводов на прочность и плотность

4. Объясните схемы обвязки трубопроводов при испытании на прочность и на плотность

5. Какое оборудование применяется при испытании на прочность и на плотность?

Раздел 3 ТЕОРИЯ МАШИН ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И СЖАТИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

 

Тема 3.1 Теория центробежного насоса

Студент должен:

знать: теорию центробежного насоса уметь: давать определения параметров цен

тробежного .насоса

Движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса (ЦБН). Основное уравнение
ЦБН.

 

Мощность и КПД ЦБН. Характеристики ЦБН.

Коэффициент быстроходности ЦБН. Кавитация в ЦБН.

Высота всасывания ЦБН.

Осевое давление в ЦБН.

Литература. [5], стр.87-104

Методические указания

Динамический насос - это насос, в котором жидкая среда перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно Сообщающейся со входом и выходом насоса.

Лопастной насос - это динамический насос, в котором жидкая среда перемещается пу­тем обтекания лопастей.

Центробежный насос - это насос, в котором жидкая среда перемещается через рабочее колесо от центра к периферии.

В центробежном насосе жидкость поступает к оси рабочего колеса и под действием цен­тробежных сил, возникающих при вращении жидкости лопастями рабочего колеса, переме­щайся к периферии.

При движении жидкости в межлопастном пространстве рабочего колеса различают аб­солютную и относительную скорости. Относительная скорость потока - скорость относи­тельно рабочего колеса. Абсолютная скорость потока - это скорость относительно непод­вижного корпуса насоса.

Один из основных факторов, характеризующих работу лопастных насосов, - структура движущегося потока, которая определяется взаимодействием между жидкостью и лопатками рабочего колеса. При вращении рабочего колеса частицы жидкости под действием центро­бежной силы движутся вдоль лопаток, одновременно участвуя в двух движениях: враща­тельном вместе с колесом, приобретая окружную скорость и, и вдоль лопаток, приобретая относительную скорость w (v). Геометрической суммой этих двух скоростей является абсо-лютная скорость с, направленная по равнодействующей, с = и + w. В направлении этой рав­нодействующей элементарные струйки жидкости выходят из рабочего колеса.

К рабочему колесу центробежного насоса жидкость подводится в осевом направлении с абсолютной скоростью со (рис. 1а). Жидкость, поступающая на вход в колесо, отклоняется от осевого направления в радиальное, приобретая абсолютную скорость С1 (рис.1б). Дальней­шее движение жидкости по каналам между лопатками характеризуется непрерывным увели­чением абсолютной скорости, которая на выходе будет равняться С2- (рис. 1б). За время пово­рота лопатки рабочего колеса частица жидкости, движущаяся вдоль лопатки и вращающаяся вместе с ней описывает некоторую траекторию, по касательной к которой направлена абсо­лютная скорость C2 на выходе из рабочего колеса.

Окружная скорость жидкости на входе в рабочее колесо u1 соответствует скорости дан­ной точки на внутренней окружности рабочего колеса и определяется по формуле:

u1 = (nD1n)/60.

Окружная скорость жидкости на выходе из рабочего колеса и2 соответствует скорости точки на наружной окружности колеса, где расположены концы лопаток,

и2 = (nD2n)/60,

где D1 - внутренний диаметр рабочего колеса, м;

D2 - наружный диаметр рабочего колеса, м;

n - частота вращения рабочего колеса, мин-1 .

 

 

Частицы жидкости движутся вдоль лопаток с относительной скоростью w1 на входе в рабочее колесо и w2 на выходе из него. Относительные скорости направлены по касатель­ной к лопаткам рабочего колеса.

Геометрическая связь между скоростями частиц жидкости выражается треугольником скоростей (рис.1в). Угол, образуемый между вектором абсолютной скорости с и вектором окружной скорости и, обозначают , а угол между касательной к лопатке и касательной к ок­ружности в направлении, обратном окружной скорости - буквой . Угол определяет на­правление относительной скорости w.

Жидкость, движущаяся по каналам рабочего колеса насоса, получает энергию, которая складывается за счет влияния центробежных сил, кинетической (скоростной) энергии потока и относительной скорости течения жидкости через рабочее колесо. Разность удельной энер­гии на входе равна напору жидкости.

Рис. 1 Распределение скоростей жидкости в рабочем колесе центробежного насоса:

а - вертикальный разрез рабочего колеса; б - разрез по лопастям;

в - треугольники скоростей

Количественная оценка теоретического напора центробежного насоса была впервые по­лучена членом Петербургской Академии наук Леонардом Эйлером.

НТ = (и2 . с2 .соs 2 – и1 . с1 .соs 1 и1)/ g,

где НТ - теоретический напор насоса, м;

и1, и2 - окружные скорости на входе и выхойе в рабочее колесо, м/с;

с1, с2 - абсолютные скорости на входе и выходе в рабочее колесо, м/с;

1, 2 - углы между абсолютной и окружной скоростями па входе и выходе рабочего

колеса;

g - ускорение свободного падения, м/с2.

Это уравнение называется основным уравнением центробежного насоса. Оно представ­лено без учета гидравлических сопротивлений, возникающих в насосе, в предположении то­го, что различные частицы движутся только по лопаткам рабочего колеса, т.е. число лопаток не ограничено.

Конечное число лопаток учитывается введением поправочного коэффициента к<1, зна­чения которого находятся в пределах 0,6 - 0,9. Потери напора на преодоление гидравличе­ских сопротивлений внутри насоса учитываются гидравлическим коэффициентом полезного действия , значения которого находятся в пределах 0,7 - 0,9 и зависит от конструкции на­соса и точности обработки его проточной части.

 

Таким образом, действительный напор, развиваемый насосом, меньше теоретического.

H = k- (u2 с2 cos 2 – u1 с1 cos 1) / g.

Наличие утечек в насосе (объемных потерь) также уменьшает действительный н развиваемый насосом.

Наибольший напор получается при = 90 °, т.е. когда cos 1 = 0, поэтому кривизну ло­паток на входе к рабочее колесо принимают такой, чтобы cos 1 = 0

Угол 2 принимают из условий получения наивыгоднейшего КПДнасоса. Обычно онсоставляет 8-15°.

В центробежных насосах применяются три формы лопаток (рис.2): загнутые назад относительно направ­ления вращения 1, заканчивающиеся радиально 2 и за­гнутые вперед 3. Каждой форме лопаток соответствует определенный треугольник скоростей на выходе. При одинаковых размерах рабочих колес и частоте враще­ния лопатки, загнутые назад сообщают жидкости сравнительно небольшую абсолютную скорость с2 а загнутые вперед - большую скорость с2. Однако при больших скоростях жидкости на выходе из колеса увеличиваются гидравлические потери в насосе последо­вательно, снижается к п д насоса.

Рис. 2 Формы лопастей рабочего колеса насоса: 1 - загнутая назад; 2 - заканчивающаяся радиально; 3 - загнутая вперед

Несмотря на небольшой напор, создаваемый коле­сом с отогнутыми назад лопатками, в конструкциях современных насосов применяются рабочие колеса с загнутыми назад лопатками. Необходимый напор при этом достигается увеличением окружной скорости ра­бочего колеса или применением многоступенчатых насосов. Входной угол 1=0 принимается равным из условия безударного входа жидкости на лопатку. а вы­ходной 2= 14-60°.

Под коэффициентом быстроходности ns понимают число оборотов такого насоса, кото­рый подобен данному насосу, создает при работе на воде напор, равный одному метру (Н-1м) и развивает мощность N = 0.736 кВт при наибольшем значении полного коэффици­ента полезного действия насоса.

Коэффициент быстроходности ns - важный показатель, характеризующий тип насоса,
который одновременно учитывает три основных показателя лопастного насоса: подачу, на­
пор и частоту вращения.

По коэффициенту быстроходности лопастные насосы классифицируются на тихоходные
(ns = 50 - 100). нормальные (пs = 100 - 200), быстроходные (ns = 200 - 350); диагональные

(ns= 350 - 500) и пропеллерные (ns - 500 - 1200). ,. .

Коэффициент быстроходности ns в значительной степени определяет форму рабочего ко­
леса,

Полезная мощность насоса Nп, сообщаемая насосом перекачиваемой жидкости, пропор­циональна подаче насоса, его давлению и определяется по формуле

 

Nп= Qp.

где Q - подача насоса, м/с;

р - давление насоса. Па.

Мощность насоса, то есть мощность на валу (потребляемая мощность), больше полезной мощности за счет различных потерь, происходящих в самом насосе.

 

 

Отношение полезной мощности насоса Nn (получаемой от насоса) к мощности насоса N (потребляемой насосом) характеризует эти потери и определяет коэффициент полезного дей­ствия п насоса:

= Nn/ N

 

В центробежном насосе различают потери: гидравлические, объемныеи механические.

Гидравлические потери складываются из потерь на трение жидкости, протекающей в подводящем патрубке, рабочем колесе, спиральной камере и диффузоре.

Объемные потери являются результатом утечек жидкости через зазоры в насосе между камерами, находящимися,под разным давлением. Основная часть этих утечек происходит в щелевых уплотнениях насоса; другая часть - через сальниковые и торцовые уплотнения на­соса.

Механические потери в насосе складываются из потерь на преодоление потерь в сальни­ках, торцах и подшипниках, а также на преодоление потерь жидкости о наружные поверхно­сти диска рабочего колеса.

Полный кпд насоса представляет произведение гидравлического, объемного и механиче­ского кпд:

= г о м

Мощность электродвигателя для привода центробежного насоса рассчитывается с уче­том коэффициента запаса. Электродвигатель выбирается по ГОСТ с ближайшей большей мощностью. Перекачиваемые нефти и нефтепродукты часто имеют вязкость, большую, чем вода. Характеристика насоса снимается на заводе-изготовителе при работе насоса на воде. Поэтому при расчете мощности электродвигателя производится пересчет характеристики на­соса с воды на нефть. Это необходимо, так как при перекачке вязких жидкостей подача, на­пор и особенно кпд могут уменьшиться, что приведет к увеличению потребляемой мощности

и мощности электродвигателя.

Гидравлической характеристикой центробежного насоса называется графическая или аналитическая зависимость напора, мощности и коэффициента полезного действия насоса от подачи при данной частоте вращения.

Характеристика насоса снимается на заводе-изготовителе при работе насоса на воде и приводится в паспорте насоса ([5], стр.198-202; [8], стр.54-61; [2], стр.293-294; [29], стр.29; паспорта насосов и Приложения данного пособия).

Последовательное соединение нескольких центробежных насосов применяется для уве­личения напора жидкости, если напор одного насоса оказывается недостаточным. При по­следовательном соединении п одинаковых насосов напор увеличивается в п раз.

Параллельное соединение нескольких центробежных насосов применяется для увеличе­ния подачи жидкости в трубопровод, если подача одного насоса оказывается недостаточной. При параллельном соединении п одинаковых насосов подача увеличивается в п раз.

Любой насос работает на сеть трубопроводов, в простейшем случае - на трубопровод. Определить параметры работы насоса на трубопровод можно графически. Для этого в коор­динатах Q - Н строят гидравлические характеристики трубопровода и насоса, а затем нахо­дят рабочую точку системы. Рабочая точка - это точка пересечения гидравлических характе­ристик насоса и трубопровода, соответствующая режиму работы насоса в данных условиях. Оптимальным режимом работы насоса называется такой рабочий режим, при котором рабо­чей точек соответствует максимальное значение коэффициента полезного действия. К неус тойчивым режимамработы насоса относятся кавитация и помпаж.

При работе насоса давление во входном патрубке может быть низким и возникает глубо­кий вакуум.Помимо этого, на входных лопатках рабочих колес образуется дополнительное понижение

 

давления, в результате чего абсолютное давление и потоке жидкости может по­низиться до давления насыщенных паров жидкости, при котором возникает кавитация.

Кавитация - явление образования в некоторых участках потока движущейся капельной жидкости полостей, заполненных воздухом, газом, паром или их смесью, так называемых кавитационных пузырьков.

Кавитация представляет вредное и опасное явление, которое ведет к разрушению насоса. Условием отсутствия кавитации является требование, чтобы в пределах проточного тракта абсолютное давление было выше давления насыщенных паров жидкости. Для создания нор­мальных (бескавитационных) условий все центробежные насосы работают с необходимым кавитационным запасом, то есть на входе насоса создается дополнительное давление (под­пор) сверх давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости. Это достигается путем заглубления насосов (создание геометрического подпора) или при помощи вспомогательного подпорного насоса.

Надежная работа насосов без кавитационных разрушений обеспечивается выбором соот­ветствующей частоты вращения, применением рабочего колеса двойного входа на первой ступени насоса, заглублением насосов и так далее.

С целью предотвращения кавитации в насосе лопатки проектируют в форме слабо изо­гнутых профилей со скругленными входными и выходными кромками, проходные сечения делают расширяющимися, что снижает скорость потока и повышает давление в проточном тракте. Для изготовление деталей, наиболее подверженных, кавитационной эрозии, приме­няют особо стойкие материалы, наплавляют поверхности твердыми сплавами, производят поверхностную закалку металла и тщательно обтачивают проточные поверхности. В некото­рых случаях используют специальные устройства, которые увеличивают давление на входе в рабочее колесо, например предвключенный винт, устанавливаемый впереди колеса и вра­щающийся с той же скоростью.

Помпаж - это такой режим работы нacoca, при котором одному и тому же напору соот­ветствуют две подачи. Для предотвращения помпажа предусматривают установку антипом-пажных клапанов и выбирают режим работы насоса в зоне, удаленной от помпажа.

Высотой всасывания называется разность отметок между осью рабочего колеса насоса и поверхностью уровня жидкости в резервуаре, из которого забирается жидкость. Высота вса­сывания может быть положительной и отрицательной. Положительная высота всасывания подучается тогда, когда насос установлен выше уровня жидкости в резервуаре, а отрица­тельная - когда насос установлен ниже уровня жидкости в резервуаре. В последнем случае эту высоту всасывания принято называть подпором жидкости.

Вакуумметрическая высота всасывания складывается из геометрической высоты всасы­вания (высоты установки насоса), потерь напора во всасывающем трубопроводе и скорост­ного напора при входе в насос, то есть разрежение, создаваемое работающим насосом, необ­ходимо для засасывания жидкости на определенную высоту, преодоления всех сил сопро­тивления во всасывающем трубопроводе и создание скорости движения жидкости по трубе.

Высота установки насоса меньше вакуумметрической высоты всасывания. Высота всасывания центробежных насосов зависит от следующих факторов:

• атмосферного давления (с понижением атмосферного давления всасывающая способ­
ность насоса снижается)

• упругости паров перекачиваемой жидкости, которая, в свою очередь, зависит от темпера­
туры всасываемой жидкости и уменьшает допустимую высоту всасывания;

• вязкости перекачиваемой жидкости; с увеличением вязкости возрастает гидравлическое
сопротивление в линии всасывания;

• кавитационного запаса, необходимого для нормальной работы насоса.

Вакуумметрическую высоту всасывания определяют на заводе опытным путем на специ­альных стендах.

Для обеспечения бескавитационной работы насоса необходимо, чтобы давление на входе в насос было больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости. При определении

 

 

высоты установки насоса следует учитывать возможность понижения уровня жидкости в резервуаре, а также понижение атмосферного давления. Для правильного определения высо­ты установки насоса большое значение имеет расчет всасывающего трубопровода. Длину всасывающего трубопровода стремятся максимально уменьшить, чтобы снизить гидравличе­ские потери, сделать его более прямым, свести до минимума количество запорной арматуры и избежать возникновения воздушных мешков.

Улучшение всасывающей способности достигается снижением скорости течения жидко­
сти во всасывающем трубопроводе. ,

Диаметр всасывающего трубопровода должен всегда быть больше диаметра напорного трубопровода.

На рабочее колесо центробежного насоса с односторонним входом жидкости действует осевая сила, направленная в сторону входа. Она возникает из-за неодинаковости сил давле­ния, действующих справа и слева на рабочее колесо.

В полости между корпусом и рабочим колесом, заполненной перекачиваемой жидко­стью, давление равно давлению на выходе из рабочего колеса.

На входе рабочего колеса на площадь кольца с внешним диаметром D1 и внутренним d действует давление, равное давлению всасывания.

Суммарное усилие направлено по оси вала в сторону всасывающего патрубка насоса (осевое усилие).

Осевое усилие даже для одноступенчатого насоса представляет значительную силу, в ре­зультате действия которой в насосе может возникнуть ряд неполадок. Рабочее колесо может соприкасаться с корпусом насоса и будет усиленно изнашиваться. При трении колеса о кор­пус повысится потребляемая мощность, снизится подача насоса и начнут греться подшипни­ки, которые воспринимают осевое усилие.

Осевое усилие может быть уравновешено несколькими способами.

1.Наиболее простой и надежный способ уравновешивания осевого усилия - применение рабочего колеса с двусторонним симметричным подводом жидкости, в котором давление с одной стороны колеса уравновешивает давление с другой стороны колеса. В действительно­сти вследствие неизбежного нарушения симметрии при изготовлении колеса и неравномер­ного его износа всегда имеется небольшая неуравновешенная осевая сила, которая воспри­нимается радиально-упорными шарикоподшипниками насоса.

Такой способ уравновешивания осевой силы является одним из лучших, так как он обес­печивает надежное и полное уравновешивание без понижения кпд насоса.

2.Другой способ уравновешивания осевого усилия - просверливание разгрузочных от­
верстий ступицы рабочего колеса, в результате чего давления, действующие с обеих сторон
рабочего колеса в пространстве между уплотнением и валом выравниваются.

Несмотря на очевидную простоту и удобство этого способа разгрузки, следует отметить, что при этом уменьшается объемный кпд насоса в результате перетекания части жидкости через отверстия и нарушается режим движения основного потока из-за движения выходящей из отверстия жидкости против потока.

3 Многоступенчатые насосы спирального типа уравновешены в осевом направлении
гидравлически, что достигается симметричным попарным расположением рабочих колес с
подводом жидкости к ним с противоположных сторон.

4 Осевое усилие в многоступенчатых насосах секционного типа уравновешивается при
помощи специального устройства - гидравлической пяты или диска.

Гидравлическая пята закрепляется на валу насоса с напорной стороны за последним ра­бочим колесом. Жидкость из рабочего колеса поступает через кольцевой зазор в промежу­точную камеру.

Затем она проходит через торцевой зазор в разгрузочную камеру, соединенную трубкой с подводом первой ступенинасоса. Так как давление в промежуточной камере значительно больше, чем в разгрузочной, на диск гидравлической пяты действует усилие, разгружающее осевое усилие ротора. Гидравлическая пята является саморегулирующимся устройством: за­зор автоматически устанавливается за счет осевых смещений ротора таким, что разность сил

 

 

давления по обе стороны диска пяты равна усилию на pотор насоса. Действительно, пусть
осевая сила Р ротора увеличивается. При этом ротор насоса сместится влево, зазор умень
шится, утечка жидкости через него станет меньше, перепад давлений на зазоре уменьшится,
что приведет к возрастанию давления в промежуточной камере и, следовательно, к возрас­
танию разгружающей силы. При этом разгружающая сила сравняется с осевым усилием. При
разгрузке ротора насоса от осевого усилия с помощью гидравлической пяты упорные под­
шипники не требуются. *

Недостатком гидравлической пяты являются дополнительные утечки и трение диска, уменьшающие кпд насоса.

Детали узла гидравлической разгрузки обычно выполняются из хромистой стали.

Вопросы дли самоконтроля

1. К какому типу насосов относится центробежный насос?

Дайте определение динамического, лопастного, центробежного насосов

3. Какими скоростями описывается движение жидкости в рабочем колесе центробежного

насоса?

4. Дайте определение окружной, относительной, абсолютной скоростям

5. Запишите и поясните основное уравнение центробежного насоса

6. Как определяется действительный напор центробежного насоса

7. Что больше: теоретический напор пли .действительный? Почему?

8. Какова форма лопаток рабочего колеса центробежного насоса?

9. Как влияет на величину напора форма лопаток рабочего колеса центробежного насоса

10. Что такое полезная мощность центробежного насоса?

11. Что такое потребляемая мощность центробежного насоса?

12. Что больше: полезная мощность центробежного насоса или потребляемая? Почему?

13. Что такое кпд центробежного насоса?

14. Энергетический смысл гидравлического, объемного и механического к п д

15. Как выбрать электродвигатель для привода центробежного насоса?

16. Что такое гидравлическая характеристика центробежного насоса?

1 7. С какой целью насосы соединяются последовательно, параллельно?

1 8. Что такое коэффициент быстроходности центробежного насоса?

19. Какие насосы называются подобными?

20. Какие особенности имеют колеса различной быстроходности?

2 1. Что такое рабочая точка системы «насос – трубопровод»

22. Какой режим работы насоса называется оптимальным?

23. Что такое кавитация?

24. Какова причина возникновения кавитации?

25. Каковы последствия кавитации?

26. Назовите мероприятия по предотвращению кавитации

27. Что такое высота всасывания центробежного насоса?

28. Что такое вакуумметрическая высота всасывания центробежного насоса?

29. От чего зависит вакуумметрическая высота всасывания центробежного насоса?

30. Как улучшить всасывающую способность центробежного насоса?

31. Каковы причины возникновения осевого усилий в центробежном насосе

32. К чему приводит осевое усилиe?

33. Назовите методы уравновешивания осевого усилия

Тема 3.2 Теория компрессорных машин

Студент должен знать: теорию компрессорных машин

Уметь: давать определения параметров компрессорных машин

 

Термодинамические основы процесса сжатия.

Ступенчатое сжатие.

Индикаторные диаграммы поршневых компрессоров.

Мощность и кпд компрессорных машин.

Подача компрессорных машин.

Характеристики компрессорных машин.

Литература. [6], стр.9-21, 172-180

 

Методические указания

Компрессорные машины предназначены для нагнетания газа из области низкого давле­ния в область высокого давления, то есть для сжатия газа. Иначе говоря, машины для подачи газовых сред в зависимости от развиваемого ими давления называются компрессорными машинами (компрессорами).

Сжатие газа в компрессорах может быть изотермическим, адиабатным и политропным. Сжатие газа может осуществляться в одной ступени (одноступенчатое сжатие) или в не­скольких ступенях(ступенчатое сжатие). Применение ступенчатого сжатия обусловлено

необходимостью получения газа высокого давления. В этом случае нельзя применить

одноступенчатое сжатие в силу нескольких причин:

• при высоких степенях повышения давления резко повышается температура компри-
мируемого газа. Так, при адиабатном сжатии пи степени повышения давления, рав­
ной 7, температура газа равна 240°С, а температура вспышки компрессорных масел
220 -240°С,что может привести к воспламенению масла.

• при высоких степенях повышения давления компрессор может работать вхолостую,
осуществляя сжатие и расширение газа во вредном пространстве. При этом подачи
газа в газопровод нет.

• повышение давления нагнетания приводит к нарастанию нагрузок на узлы компрес­
сора, что вызывает необходимость в увеличении размеров деталей.

• при высокой степени повышения давления усложняется конструкция деталей
компрессора.

Поэтому применяется ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением сжимаемого газа между ступенями.

Компрессор считается идеальным при следующих предположениях:

• сопротивление проходу газа во всасывающих и нагнетательных клапанах и компрессора
отсутствует;

• давление во всасывающем и нагнетательном патрубках постоянно;

• температура газа в периоды всасывания и нагнетания неизменна;

• в конце сжатия весь газ, находившийся в цилиндре, выталкивается поршнем из цилиндра.

 

Совокупность процессов всасывания, сжатия и нагнетания газа, повторяющихся при каж­дом обороте коленчатого вала, называется циклом компрессора

Цикл идеального компрессора называется теоретическим. В действительности рабочий
процесс поршневого компрессора отличается от теоретического процесса в силу следующих
причин: *

• часть газа остается в цилиндре компрессора в зазорах между поршнем и цилиндром, в
гнездах и каналах клапанов. Суммарный объем этих полостей называется вредным (мерт­
вым) пространством цилиндра. Наличие вредного пространства приводит к тому, что вса­
сывание газа в цилиндр начинается не в момент изменения направления движения порш­
ня, а лишь после того, как давление газа, оставшегося во вредном пространстве, снизится

вследствие расширения до давления, равного давлению всасывания (это приводит к

уменьшению использования рабочего объема цилиндра, так как всасывается меньшее количество газа.). Вследствие этого теоретическая индикаторная диаграмма компрессора с вредным пространством будет отличаться от идеальной индикаторной диаграммы, представляющей цикл идеального компрессора;

- клапаны имеют сопротивление. Из-за сопротивления клапанов всасывание газа происхо­дит при давлении меньшем, а нагнетание - при давлении большем, чем давление во вса­сывающем и нагнетательном патрубках;


- имеется теплообмен газа со стенками цилиндра и поршнем, что также вносит изменения в индикаторную диаграмму.

Puc.3 Теоретическая индикаторная диаграмма одноступенчатого поршневого компрессора

с вредным пространством без учета потерь давления в клапанах:

Увр - объем вредного пространства

Vа — объем, описываемый поршнем

Vо - объем газа после его расширения из вредного пространства от р2 до р1

V1 - объем всасываемого газа

V - объем цилиндра

4-1 - изобара всасывания при p1 = const

1-2 - адиабата или политропа сжатия газа в цилиндре компрессора

2-3 - изобара нагнетания газа при p2= cоnst

3-4 - адиабата или политропа расширения газа из вредного пространства

Таким образом, 4-1-2-3-4-цикл компрессора.

Степеньповышения давления (отношение давлений, степень сжатия) - это отношение конечного давления на выходе из ступени компрессора (давления нагнетания) к начальному давлению на входе в ступень компрессора (давлению всасывания).

Для одноступенчатого компрессора степень повышения давления

= ркн=pн/pвс=p21

Для ступенчатого компрессора степень повышения давления

 

=

где рк, р2 - абсолютное конечное давление;

рн, p1 -абсолютное начальное давление;

рнг - абсолютное давление нагнетания;

рвс - абсолютное давление всасывания;

z - число ступеней.

Удельная работа - это работа, совершаемая одним килограммом газа. Полная работа -
это работа, совершаемая М килограммами газа.

Полная работа одноступенчатого поршневого компрессора определяется по формулам:

при изотермическом сжатии

Lизот = 2,3p1-V1 lg , Дж

при адиабатном сжатии

Lад=[к/(к-1)].р1.V1 . [ (k-1)/k:|ук -1], Дж

при политропном сжатии

^ Цол=[m/(m-1)]-р1V1[ (m-1)/m-1], Дж

Температура газа в конце процесса сжатия определяется по формулам:

при изотермическом сжатии

Т2изот = Т1, К

при адиабатном сжатии

Т2ад = Т1 (k-1)/k , K

при политропном сжатии

T2пол=T1 (m-1)/m, K

Полная работа ступенчатого поршневого компрессора определяется по формулам:

при изотермическом сжатии

Lизот = z.2.3.p1-V1lg , Дж

при адиабатном сжатии

Lад = z [к/(к-1)]-р1V1(к-1)/к -1], Дж

при политропном сжатии

Lпол = z [m/(m-1)]. Р1-V1[ (m-1)/m-1], Дж,

где p1.1T1- начальные давление, объем и температура газа:

k- показатель адиабаты,

m -показатель политропы.

Основным типом компрессора, применяемого для транспорта природного газа по маги­стральным газопроводам является центробежный нагнетатель - это компрессорная машина, имеющая отношение давлений не менее 1,1 при отсутствии промежуточного охлаждения в процессе сжатия.

Для рассмотрения работы колеса центробежного нагнетателя, то есть движения газа вдоль попасти вращающегося колеса, и процесса образования давления в нагнетателе строят треугольники скоростей: входной и выходной. При вращении рабочего колеса под действием-

центробежных сил частицы газа продвигаются по лопаточному каналу от внутреннего диа­метра колес к внешнему. Следовательно, частицы газа, полав на лопасть в точке входа, продвигаются к точкe выхода. Частицам газа, попавшим на лопасть, сообщается окружная ско рость u, направленная по касательной к данной точке окружности. Помимо этого газ пере­мещается относительно лопастей рабочего колеса с относительной скоростью w, и вектор относительной скорости расположен по касательной к лопасти.

Абсолютная (результирующая) скорость частиц газа с - это скорость движения газа отно
сительно неподвижного корпуса нагнетателя — определяется диагональю параллелеграмма,
построенного на векторах окружной и относительной скоростей.

Взаимная связь между скоростями и, w и с определяется следующими выражениями:

- для потока газа в точке входа

w12 / = с12 + и12 - 2c1 u1 cos 1,

- для потока газа в точке выхода
w22
/ = с22 + и22 - 2c2 u2 cos 2

где 1 и 2 - углы между векторами абсолютной и окружной скоростей газа на входе и вы­ходе

Полное теоретическое давление, развиваемое колесом центробежного нагнетателя, опре деляется по уравнению Эйлера:

р Т = p(c2 u2 cos 2 -c1 u1 cos 1),

или

р т = p(cи2 u2 -cи1 u1 ),

где cи1, cи2 - проекции векторов абсолютной скорости с на направление окружной скорости и
на входе и выходе

cи1 = c1cos 1

cи2 = c2 cos 2 .

Уравнение Эйлера получено исходя из предположения, что скорости газа равномерно распределяются в потоке внутри рабочего колеса (т.е. рассматривается случай, когда число лопастей равно бесконечности).

Анализ уравнения Эйлера позволяет сделать следующие выводы.

1. В уравнении Эйлера, определяющем теоретическое давление, развиваемое колесом цен­
тробежного нагнетателя, принимается, что газ в межлопаточных каналах движется без
гидравлических сопротивлений.

2. Теоретическое давление тем больше, чем больше плотность перекачиваемого газа р и
окружная скорость u2, которая пропорциональна диаметру колеса Д2 и частоте вращения

3. Давление газа в нагнетателе увеличивается с уменьшением выражения, стоящего в скоб­
ках, т.е. ( cи2 u2 -cи1 u1 ). Это выражение имеет минимальное значение, когда = 90°. То­
гда cи2 = 0. Это соответствует радиальному входу газа на лопасти колеса, что отвечает
максимальным производительности и давлению центробежного нагнетателя,

 

4. При постоянной частоте вращения центробежный нагнетатель может подавать различное
количество газа (от нуля до максимального количества). Изменение его производитель­
ности зависит от давления, которое должен преодолевать нагнетатель.

При определении действительного давления, развиваемого центробежным нагнетателем,

учитываются:

конструктивный угол между векторами относительной скорости w и окружной скоро­сти и;

угол между векторами абсолютной с и окружной скорости и; коэффициент закручивания (затраченной работы)

коэффициент полезного действия

коэффициент давления =

Таким образом, теоретический напор или удельная механическая энергия, сообщаемая газу рабочим колесом, без учета потерь на трение равна

Hт = (u2 c2 cos 2 – u1 c1 cos 1 )/g,м

где Hт - теоретический напор нагнетателя, м;

u2;, и1 - окружные скорости на входе и выходе в рабочее колесо, м/с;

с1, с2 -абсолютные скорости на входе и выходе в рабочее колесо, м/с;

u1 и u2 - углы между абсолютной и окружной скоростями на входе и выходе рабочего

колеса;

g -ускорение свободного падения, м/с ,

Так как u2 = D2п , то при u1 = 90о действительное давление, создаваемое нагнетателем равно

р = Д2пс2соs 2 k , Па

где D2 -диаметр наружной окружности колеса, м; п - скорость (частота) вращения вала, с-1;

k - коэффициент циркуляции, учитывающий образование осевого вихря в межлопаточ­ном канале. Рекомендуется k = 0,6 - 0.9,

- гидравлический к п д, учитывающий гидравлические потери в проточной части ко­леса. Рекомендуется = 0,8 - 0,9.

Производительность компрессора - это объем газа, подаваемый компрессором за еди­ницу времени, пересчитанный на состояние газа при входе в компрессор. Производительность поршневого компрессора одинарного действия

Q= i. . . D2 .s.n, м3/с, Производительность поршневого компрессора двойного действия

Q= i. . . (2D2 –d2)s n м 3/с,

где i - число цилиндров;

- коэффициент подачи, учитывающий уменьшение действительной производительно­сти по сравнению с идеальной;

 

= V Т p Г

V - объемный коэффициент, учитывающий., влияние вредного (мертвого) пространства;

Т - коэффициент подогрева, учитывающий повышение температуры газа, попавшего в

цилиндр, благодаря соприкосновению газа с горячими стенками цилиндра и с

поршнем;

 

p - коэффициент давления, учитывающий сопротивление клапанов;

Гг - коэффициент герметичности, учитывающий утечки в клапанах, сальниках и так да­лее.

V =1- вр( 1/m -1)

где вр - относительная величина вредного пространства, доли единицы;

- степень повышения давления в компрессоре;

т - показатель политропы.

=pн/pВ

где pн - абсолютное давление на выкиде компрессора (давление нагнетания), Па;

pВ - абсолютное давление на приеме компрессора (давление всасывания), Па.

Т =1- 0,025 ( -1)

Р = 0,95 - 0,98

D — диаметр поршня, м;

d - диаметр штока поршня, м;

s - ход поршня, м;

п - число оборотов вала кривошипа (число двойных ходов поршня), с-1 .

Производительность центробежного нагнетателя равна

Q = ( D2- zл) b2 с2 sin 2м3/с,

где - толщина лопаток, м;

zл - число лопаток,

b2ширина канала колеса на выходе потока, м;

0 - объемный кпд нагнетателя. Рекомендуется 0 = 0.85-0.95

 

Подача компрессора - это объем газа, подаваемый компрессором за единицу времени, отнесенный к нормальным условиям, то есть p0 = 101325 Па и То - 273 К. Подача компрессора равна

Qnoд = (p1 To/pо T])Q, м3

Полезная мощность - это мощность, сообщаемая компрессором подаваемой газовой
среде.

Полезная мощность одноступенчатого поршневого компрессора равна

при изотермическом сжатии

Nп (изот) = 2,3р1Q lg . Вт

При адиабатном сжатии

Nп (ад) =[k/(k-l) р1 Q [ k-1/k-1]. Вт

при по литропном сжатии

Nп (пол) =[m/(m-l) р1 Q [ m-1/m-1]. Вт

Полезная мощность ступенчатого поршневого компрессора равна при изотермическом сжатии

Nп (изот) = z 2,3p1Q Ig , Вт

 

 

· при адиабатном сжатии

NП(ад) = z[k/(k-l)]p1 Q •[ (k-1)/k-1], Вт,

 

при политрдпном сжатии

NП(пол) = z[m/(m-l)]p1 Q •[е(k-1/k)/k-1], Вт,

Полезная мощность центробежного нагнетателя

NП = Q (p2-p1)/1000Вт

где p1 - абсолютное давление газа на входе в нагнетатель. Па;

р2 - абсолютное давление газа на выходе из нагнетателя, Па

Потребляемая мощность поршневого компрессора (мощность на валу, расход мощно-сти) равна

N= (NП(изот, ад, пол) +Nвсп) М Вт (или кВт),

где Nвсп - мощность вспомогательных механизмов. Если от вала компрессора не работают

вспомогательные механизмы, то Nвсп = О М - механический к п д компрессора.

Потребляемая мощность центробежного нагнетателя (мощность на валу, расход мощно­сти) равна

N= Nп / . Вт (или кВт), где - полный кпд нагнетателя.

= г о м

где г - гидравлический кпд нагнетателя, учитывающий потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений при прохождении потока газа через колесо нагнета­теля;

о - объемный к п д нагнетателя, учитывающий потери энергии вследствие перетекания части потока газа из полости нагнетательной во всасывающую через внутренние уп­лотнения. Рекомендуется о =0,96 - 0,98;

м - механический кпд нагнетателя, учитывающий.потери энергии, обусловленные тре-нием в подшипниках, сальниках, трением диска колеса нагнетателя о газ и др., т.е. выражающий относительную долю механических потерь в нагнетателе. Рекоменду­ется м = 0.92 - 0,95.

Мощность привода компрессорной машины

Nдв= k3N/ nep. Вт (или кВт),

где k3 - коэффициент запаса. Рекомендуется kз = 1,05 - 1,2;

nep. -кпд передачи.

Характеристиками компрессора называют зависимости, показывающие изменение ос­новных параметров компрессора при различных установившихся режимах работы (эти ха­рактеристики получают на специальных испытательных "стендах).

 

 

Характеристиками центробежного нагнетателя называют графические зависимости степени повышения давления, внутреннего кпд и потребляемой мощности от объемного и при веденного расхода. При работе центробежного нагнетателя на компрессорных станцияхмагистрального газопровода давление, температура и состав газа, как правило, отлича­ются от номинальных значений. Поэтому для того, чтобы избежать погрешности, характери­стики, получаемые на заводе-изготовителе, должны быть пересчитаны применительно к фак­тическим условиям, то есть к тем начальным температуре, газовой постоянной и коэффициенту сжимаемости, которые имеют место при перекачке газа. Чтобы облегчить такой пересчет, рассчитаны и построены приведенные характеристики центробежных нагнетателей.

Характеристики центробежных нагнетателей позволяют судить об отдаленности рабочей точки от границы устойчивости, о всей возможной области рабочих режимов, о положении рабочих точек по отношению к зоне максимальных кпд.

В центробежных нагнетателях существуют нестационарные процессы, вызванные не­равномерностью потока по окружности в пределах каналов рабочего колеса, диффузора, входных и обратных направляющих аппаратов, а также из-за наличия входных и выходных патрубков. При вращении ротора эта неравномерность превращается в нестационарность, которая существует практически на всех рабочих режимах. Кроме этого, в проточной части может иметь место вращающийся срыв в виде волн давления, перемещающийся по окружно­сти с определенной угловой скоростью. Пульсации давления имеют частоту, некратную час­тоте вращения ротора. Возможны и нестационарные процессы, вызванные отрывным обте­канием решеток рабочего колеса и лопаточного диффузора. Эти нестационарные процессы вызывают дополнительные потери энергии, снижают напорность ступеней, сужают область рабочих режимов, вызывают дополнительный шум и переменные аэродинамические силы, воздействующие на элементы проточной части.

Распространенный вид потери устойчивости центробежного "нагнетателя - вращающийся срыв - сложный автоколебательный процесс.

Наиболее опасный режим потери устойчивости - помпаж, или автоколебания в системе нагнетатель - сеть, называемые также критическим режимом . При помпаже расход и по­требляемая нагнетателем мощность могут изменяться от нуля до номинала, везможен перио­дический выброс газа из напорной полости на всасывание центробежного нагнетателя.

Для предотвращения помпажа и повторного ввода нагнетателя в работу необходимо вы­яснить и устранить причину, вызвавшую его, например повысить частоту вращения, умень­шить подачу и напор параллельно работающей группы и так далее.

Существует ряд эффективных противопомпажных защитных систем, позволяющих из­бежать попадания нагнетателя природного газа в помпаж и сигнализирующих о близости к критическому режиму.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое компрессорная машина (компрессор)?

2. Какие процессы сжатия протекают в компрессоре?

3. В каких случаях применяется ступенчатое сжатие?

4. Что дает применение ступенчатого сжатия?

5. Какой компрессор называется идеальным?

6. Что такое цикл компрессора?

7. Почему действительный процесс в компрессоре отличается от теоретического?

8. Что такое степень повышения давления?

9. Что такое удельная работа компрессора? полная?
10. Что такое производительность компрессора?

11. Что такое подача компрессора?

12 Что такое полезная мощность компрессора?

13. Какая мощность больше: полезная или потребляемая? Почему?

14. Что такое к п д компрессора?

 

1 5. Энергетический смысл гидравлического, объемного и механического кпд 16. Как рассчитывается мощность двигателя для привода компрессора?

1 7. Что такое характеристика компрессорной машины?

18. Что такое приведенные характеристики центробежного нагнетателя?

19. Каковы причины нестационарных процессов вцентробежных нагнетателях?

20. Назовите виды потери устойчивости центробежногонагнетателя

21.Назовите мероприятия по предотвращению помпажа

Раздел 4. КОНСТРУКЦИЯ МАШИН ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И СЖАТИЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГА ЗОВ

Тема 4.1 Конструкция насосов

Студент должен:

знать: конструкцию насосов и их системы уметь: определять основные узлы и детали
(схемы и оборудование) насоса, давать их характеристику;

чертить и читать схемы систем: про­изводить расчеты рабочего колеса насоса, систем смазки, охлаждения

Требования к насосам магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов.

Техническая характеристика и устройство основных насосов магистральных нефтепро­водов и нефтепродуктопроводов НМ, Н. НД, МБ.

Особенности конструкции импортных насосов.

Техническая характеристика и устройство подпорных насосов.

Расчет рабочего колеса ЦБН.

Системы ЦБН: смазки, охлаждения, уплотнения, КИП. Схемы систем. Применяемое оборудование. Расчет систем.

Практическое занятие №4

Изучение конструкции насосов, схем систем

Литература. [8]. стр.9-10. 48-91, 179-191; [5]. стр. 105-120; [2], стр. 14-18,112-118. 134-135. 185-186

Методические указания

К насосам, перекачивающим нефть и нефтепродукты на дальние расстояния, предъявля­ются следующие требования: обеспечение сравнительно высоких напоров и больших подач; достаточная экономичность (максимально возможные кпд); долговременность и надеж­ность непрерывной работы; использование максимальнойчастоты вращения вала двигателя; компактность, удобство и быстрота сборки и разборки.

Для нормальной эксплуатации магистрального насоса необходимо, чтобы удельная энер­гия превышала упругость паров перекачиваемой жидкости на входе в насос. Для этого маги­стральные центробежные насосы при эксплуатации обеспечивают подпором, который созда­ется одним или двумя вспомогательными насосами или избытком энергии перекачиваемой жидкости, полученной на предыдущей станции магистрального трубопровода.

Подпорный (или два подпорных) и магистральный насосы должны иметь одинаковую подачу.

Для обеспечения хорошей всасывающей способности подпорные насосы эксплуатируют при сравнительно низких частотах вращения вала; они должны иметь одно рабочее колесо с

 

двусторонним подводом жидкости и устанавливают их как можно ближе к питающим резер­вуарам. Поскольку подпорные центробежные насосы работают с разрежением на приеме,
уплотнения валов должны иметь гидравлические затворы, предотвращающие проникновение
воздуха в насос, а на всасывающем трубопроводе должна быть обеспечена герметичность
всех соединений.

Подпорные насосы, как и магистральные, должны быть надежными при продолжитель­ной непрерывной эксплуатации и работать в режиме максимальных значений кпд.

Единообразие конструкций центробежных насосов для магистральных нефтепроводови
нефтепродуктопроводов и сокращение до минимума их типоразмеров обусловило создание
нормального ряда насосов.

Согласно ГОСТ насосы должны изготовляться центробежными в горизонтальном ис­полнении и не требовать отсоединения входного и выходного патрубков при проведении те­кущего ремонта. Насосы предназначены для транспортировки нефтепродуктов и нефти с температурой от 268 К до 353 К, кинематической вязкостью не свыше 3 см /с, механически­ми примесями по объему не более 0,05% и размером не более 0,2 мм. Насосы с подачей 1800 м3/час и более предназначены только для перекачки нефти. Номинальная частота вращения ва­ла 3000 мин-1.

На магистральных нефтепроводах и нефтепродуктопроводах эксплуатируются магист­ральные (основные) насосы типов ИМ (секционные и спиральные), НД, Н и МБ. В качестве подпорных насосов применяются насосы типов НД, НМП, НПВ.

Надежность работы основных агрегатов, обеспечени