Файл: Методические указания для студентовзаочников составлены согласно программе дисциплины "Гидромашины и компрессоры" для высших учебных заведений по специальности 17. 02. 00.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.03.2024
Просмотров: 18
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ГИДРОМАШИНЫ И КОМПРЕССОРЫ
Программа, методические указания и контрольные задания
по дисциплине «Гидромашины и компрессоры»
для студентов специальности 17.02.00 –
«Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» (МОП)
Тюмень, 2004
2
Утверждено редакционно-издательским советом
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
Тюменского государственного нефтегазового университета
Составители: доцент, к.т.н. Двинин А.А., доцент, к.т.н. Безус А.А.
© Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2004
3
Настоящие методические указания для студентов-заочников составлены согласно программе дисциплины "Гидромашины и компрессоры" для высших учебных заведений по специальности 17.02.00
«Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов».
Методические указания включают перечень вопросов со ссылкой к рекомендуемой литературе для самостоятельного изучения данной дисциплины, рекомендации к проработке отдельных тем, вопросы для самопроверки получаемых знаний и условия задач к контрольным работам.
Результатом обучения по настоящей программе должно быть:
- знакомство с принципом действия и устройством наиболее распространенных видов гидромашин и компрессоров, используемых при бурении и освоении нефтяных и газовых скважин;
- знание теории действия машин по вопросам, связанным с их применением;
- умение пользоваться характеристиками насосов, гидродвигателей, гидропередач, компрессоров;
- умение выбирать машины и привязывать их к комплексу оборудования по основным показателям;
- умение производить расчеты, связанные с приспособлением машин к технологическим условиям и регулированием;
- знание основных правил эксплуатации, охраны труда и внешней среды.
Теоретический курс необходимо прорабатывать последовательно по отдельным разделам и темам. Разделы начинаются с определения технических показателей данной группы машин. Далее предлагается типовой порядок изучения материала: схема устройства, принцип действия, элементы устройства, разновидности машин, применяемых на нефтяных и газовых промыслах, теория действия, характеристики машин, регулирования, правил эксплуатации, вопросы области применения, выбора типа и марки машин и др.
При выборе машин следует обращать внимание на оценку вариантов по экономическим критериям.
Изучение отдельных вопросов связано с выводами формул, основанных на законах гидравлики, теоретической механики, на которые следует обратить особое внимание. В ходе вывода формул важно помнить допущения, ограничивающие область применения полученных законов.
Работу над учебником желательно сопровождать решением задач по изучаемому вопросу, что позволяет лучше усвоить теоретический материал, выявить недоработки и недопонимание последнего.
Обязательным для студента-заочника является выполнение двух контрольных работ, каждая из которых состоит из 2-х задач. Вариант задачи студент находит по двум последним цифрам своего шифра: по
4
предпоследней цифре выбирается номер задания, а по последней - вариант.
Для нечетных предпоследних цифр и нуля соответствуют номера заданий
I, 3, адля четных - 2, 4. Если, например, шифр студенческой книжки имеет
№ 123465, то для каждой задачи необходимо взять условия из заданий 2, 4 и в каждом из них - 5-й вариант.
При решении задач необходимо делать ссылку на используемую литературу, список которой должен быть помещен в конце оформленной контрольной работы,
Цифровой материал задач необходимо представлять в размерности, соответствующей международной системе единиц измерения физических величин - СИ.
Студент, выполнивший все контрольные работы, допускается к лабораторным работам, которые обычно выполняются во время сессии, в специально отведенное для этого время. Выполненные и оформленные лабораторные работы студент обязан защитить. Зачет по курсу "Гидромашины и компрессоры" выставляется при зачтенных контрольных работах после защиты всех лабораторных работ.
Экзамен по курсу «Гидромашины и компрессоры» разрешается сдать при наличии зачета. Порядок сдачи зачета и экзамена определяется кафедрой "Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов", однако, во всех случаях зачет и экзамен сдаются очно.
5
ВВЕДЕНИЕ
Программа
Роль гидравлических и компрессорных машин в современной технике. Применение их при бурении нефтяных и газовых скважин, добыче, подготовке и транспортировке углеводородного сырья. Значение этих машин для комплексной механизации технологических процессов.
Общая классификация проточных машин: машины-двигатели и машины-орудия (насосы, компрессоры); динамические и объемные.
Баланс работ в проточной машине. Работа изменения давления как главная часть этого баланса.
Литература: [1, с. 3-4; 185-186], [2, с.3-5; 183-185], [3, с.154-158],
[4, с.917], [6, с.3-4; 175-178]
Контрольные вопросы.
1.
Каково основное назначение машин-двигателей и машин орудий?
2.Какие машины называются насосами, а какие - компрессорами? 3. В чем принципиальное отличие динамических машин от объемных?
4. Перечислите технологические процессы при бурении нефтяных и газовых скважин, при добыче и сборе продукции месторождений, в которых применяются гидравлические и компрессорные машины?
1. ГИДРОМАШИНЫ
1.1. Насосы
Программа.
Основные технические показатели насосов. Виды насосов.
Устройство и принцип действия динамических насосов. Элементы устройства центробежного насоса. Средства уравновешивания осевого усилия. Виды центробежных насосов.
Литература:. [1, с.8-30], [2, с.6-14; 71-92], [3, с.154-191], |4, с.284-
309], [5, с.182-184; 187-194], [6, с.137-144; 154-158].
Методические указания.
При изучении основных технических показателей, которыми характеризуются технологические возможности и энергетические потребности насосов, необходимо прежде всего понять физический
(энергетический) смысл этих показателей.
Разобравшись в основных показателях насосов, нужно выучить и
6
знать единицы измерения этих показателей в международной системе
(СИ), уметь делать перевод единиц измерения из ранее применявшихся систем (например, МКГСС)
В
СИ.
Контрольные вопросы.
1.Что называется объемной и массовой подачами насоса? 2.Какими методами можно определить фактическую подачу насоса? 3. В чем отличие понятий напора идавления насоса? 4. Как практически определить потребляемую мощность насоса? Полезную мощность? КПД насоса? 5. В чем принципиальное отличие динамических насосов от объемных? 6. Какие принципиальные отличительные особенности характерны для центробежного, осевого и вихревого насосов? 7. Назовите функции основных рабочих органов насоса: подвода, рабочего колеса, отвода, направляющего аппарата, переводного канала. 8. Расскажите основные средства уравновешивания осевого усилия
В центробежных насосах. 9. Перечислите виды уплотнений и места их применения в дина- мических насосах. 10. Как осуществляется компенсация осевого смещения вала при торцовых уплотнениях? 11. Назовите преимущества и недостатки сальниковых и торцевых уплотнений. 12. Что может произойти в случае неправильного направления вращения вала центробежного насоса?
13. Какие конструктивные особенности характеризуют центробежные насосы, применяющиеся при бурении скважин, добыче итранспортировке нефти?
1.2. Гидромеханика центробежного насоса
Программа.
Геометрические элементы лопастного аппарата. Движение жидкости в лопастном колесе. Планы скоростей. Режимы работы насоса. Уравнение
Эйлера. Мощности и к.п.д. Потери мощности в насосе.
Литература: [1, с. 30-38] , [2, с. 14-36] , [3, с. 161-167] , [4, с.58-74],
[5, с.141-148].
Методические указания.
Целью изучения данной темы является получение четкого представления о сложных гидродинамических процессах, происходящих в проточных частях центробежного насоса. Для этого необходимо, прежде всего, разобраться с геометрическими элементами лопастного аппарата, обратив особое внимание на конструктивные углы лопаток.
Рассматривая движение жидкости в лопастном колесе, сложное трехмерное состояние потока нужно несколько упростить и свести его к
7
плоской задаче. В этом случае абсолютное движение жидкости в межлопастном канале складывается из двух: переносного и относительного, Движение же жидкости по отношения к стенкам канала можно представить как сумму трех движений: в неподвижной решетке, вихревого и циркуляционного. Получая, таким образом, приближенное представление о модели потока, можно переходить к рассмотрению планов скоростей и их анализу. Очень важно понять всюсовокупность гидравлических явлений, происходящих в проточных каналах, которые обуславливают безударный режим работы насоса.
Контрольные вопросы.
1. Как влияют форма, углы наклона лопастей на эффективность работы центробежного насоса? 2. Из каких составляющих складывается абсолютная скорость жидкости в рабочем колесе? 3. Что называется углом атаки? 4. Что называется безударным режимом работы насоса? 5. Как определить расход жидкости через рабочее колесо при безударном ее входе в отвод? 6. Как записывается уравнение Эйлера, в общем, и частном видах? 7. В каком случае теоретический напор рабочего колеса имеет максимальное значение? 8. Какие пути можно предложить для снижения механических, гидравлических и объемных потерь мощности в центробежном насосе?
1.3. Характеристики лопастных насосов.
Программа.
Характеристика центробежного насоса для воды. Теоретический анализ характеристики. Влияние плотности и вязкости жидкости.
Безразмерная характеристика серии насосов. Применение
π
- теоремы для ее построения. Безразмерные комплексы. Принципы гидродинамического подобия в лопастных насосах. Формула подобия, их применение для построения характеристики насоса по частоте вращения.
Коэффициент быстроходности как классификатор типов лопастных насосов.
Литература: [1 с.38-50], [2 с. 38-56] , [3 с.167-184] , [4, с, 87-94], [5, с. 148-156; 166-182].
Методические указания.
Большинство задач, возникающих при проектировании, выборе и эксплуатации лопастных насосов, решаются графо-аналитическим способом, а для этого необходимо иметь полное представление об энергетических характеристиках насосов, представляющих семейство
8
кривых взаимной зависимости между подачей и напором (давлением), подачей и мощностью, а также подачей и общим к.п.д. Главной из них является напорная характеристика, поэтому изучение данной темы следует начинать с теоретического вывода и последующего анализа зависимости напора от подачи насоса. Вывод удобно начинать с уравнения Эйлера для безударного режима. Воспользовавшись треугольником скоростей, выразить в нем величину проекции абсолютной скорости на окружную скорость через радиальную составляющую, а ее в свою очередь выразить через расход жидкости в рабочем колесе, исходя из уравнения неразрывности потока жидкости. Полученную зависимость следует проанализировать для различных углов наклона лопастей на выходе рабочего колеса, построить графики, которые будут представлять прямые линии. Проанализировать переход от теоретических характеристик к фактическим.
Контрольные вопросы.
1. Почему в центробежных насосах рабочие колеса с лопастями, загнутыми по направлению вращения, не применяются? 2. Как влияет вязкость жидкости на напор (давление), мощность и к.п.д. насоса? 3. Что называется безразмерными комплексами? 4. Назовите наиболее распространенные комплексы. 5. Какой критерий представляет собой меру отношения сил инерции к силам трения? 6. Назовите три вида подобия и дайте их определения. 7. Какой режим работы насоса называется оптимальным? 8. На сколько изменится мощность на валу насоса, если частоту его вращения увеличить в два раза? 9. Для каких гидросистем
(трубопроводов) применяются насосы тихоходные, нормальные и быстроходные?
1.4. Возвратно-поступательные насосы (ВПН)
Программа.
Принцип действия и виды объемных насосов, виды ВПН. Элементы устройств. Насосы специального назначения, применение их при бурении, разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений.
Литература: [1, с.95-108] , [2, с.93-96; 148-1б2; 165-168] , [3, с.272-
279; 295-299], [4, с.174-187], [5, с. 5-6; 24-27; 33-37; 44-45; 50-67; 77-89] .
Методические указания
Из всего разнообразия насосов выделить встречающиеся при разработке нефтяных, газовых месторождений и более подробно остановиться на их устройстве, обращая пристальное внимание на такие
9
узлы, как цилиндропоршневая группа, поршни и плунжеры, клапаны, пневмокомпенсаторы, уплотнения, приводная часть и др.
Контрольные вопросы.
1. Чем отличается принцип действия объемного насоса и лопастного? 2. Как можно классифицировать возвратно-поступательные насосы по устройству? 3. Какие существуют механизмы передач движения рабочему органу ВПН? 4. Какие имеются типы клапанов? 5. Чем приводятся в действие клапаны насосов? 6. При каких условиях открываются и закрываются клапаны? 7. Где применяются шаровые клапаны? 6. Для чего служит пружина, прижимающая клапан в седло? 9. В каких случаях применяются весовые подъемные клапаны (без пружины)?
10. В каких случаях применяют резиновые или другие уплотнения в клапане или седле? 11. Какие существуют уплотнения штока? 12. Какой узел находится между штоком (полуштоком) и шатуном у насосов двукратного (двухстороннего) действия? 13. Для каких целей у ВПН устанавливают пневмокомпенсаторы? 14. Какие существуют типы пневмокомпенсаторов? 15. Какие существуют приводы скважинных насосов для добычи нефти? 16. Каким способом можно изменить подачу
ВПН? 17. Каким образом можно изменить подачу дозировочного насоса?
1.5. Теория действия ВПН.
Программа.
Рабочий объем и средняя подача насоса. Коэффициент подачи и влияющие на него факторы, Неравномерностьвсасывания и нагнетания кривошипных насосов различных типов.
Графики изменения скорости и ускорения потока жидкости. Прин- цип действия и расчет пневмокомпенсаторов.
Индикаторная диаграмма как средство диагностики и исследования насосов. Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность.
Потери мощности и к.п.д. Характеристика объемного насоса. Расчет всасывания ВПН при условии бескавитационной работы.
Литература: [1, с.108-118; 150-152], [2, с. 96-103; 113-118], [3, с.279-294] [5,. с.9-18; 40-44; 45-49] .
Методические указания.
Изучение данной темы может быть успешным при полном понимании принципа действия возвратно-поступательных насосов. Это необходимо, например, для определения параметров, основным из которых является рабочий объем. Методологический подход к
10
нахождению величины этого параметра является общим для всех объемных насосов и заключается в определении объема, описываемого всеми рабочими поверхностями вытеснителей за один оборот вала. По рабочему объему и числу оборотов вала насоса находят его теоретическую идеальную подачу, а затем - реальную. Для нахождения последней вводится не только объемный к.п.д., как это делалось для лопастных насосов, но и коэффициент наполнения. Произведение этих двух коэффициентов носит название объемного коэффициента. Не следует этот термин путать с объемным к.п.д.
Целесообразно рассматривать энергетические характеристики и
ВПН в сравнении с характеристиками лопастных насосов.
Контрольные вопросы.
1. Что называется рабочим объемом ВПН? 2. Как определить рабочий объем кривошипного поршневого двухцилиндрового насоса двухстороннего действия? 3.Какиепути существуют по снижению неравномерности нагнетания? 4. Как практически можно определить коэффициент неравномерности подачи? 5. Как снять индикаторную диаграмму? 6. Можно ли, при наличии индикаторной диаграммы, определять потери мощности и какого характера эти потери? 7. Как изменится индикаторная диаграмма в отличие от эталонной, если не закрывается всасывающий клапан? 8. Как определить давление кривошипного поршневого насоса, работающего на трубопровод? 9. Какие пути имеются для регулирования подачи кривошипного поршневого насоса?
1.6. Роторные насосы
Программа.
Общие сведения о назначении и видах роторных насосов.
Устройство и принцип действия шестеренных, роторно-поршневых и шиберных насосов.
Литература: [ 1.с. 122-133 ], [2, с.168-173 ], [3, с. 299-350 ], [4, с. 54-
68; 121-128] , [5, с. 113-138].
Методические указания.
В начале изучения материала по этой теме необходимо выяснить, почему роторные насосы относятся к типу объемных, что является в каждом из них рабочей камерой, а что вытеснителем. Обратить внимание на особенность рабочего процесса таких насосов, заключающуюся в том, что при вращении ротора рабочие камеры с жидкостью переносятся из
11
полости всасывания в полость нагнетания. Эта особенность делает излишними клапаны.
Все разнообразие роторных насосов нужноуметь классифицировать по характеру движения рабочих органов на роторно-вращательные и роторно-поступательные. Более подробную классификацию можно рассмотреть в [3, с. 300-301].
Рассматривая тот или иной тип роторных насосов, следует остановиться на его достоинствах и недостатках, области применения.
Контрольные вопросы.
1. В чем принципиальное отличие роторно-поступательных от роторно-вращательных насосов? 2.Можно лироторные насосы использовать в качестве гидромоторов? 3. Каковы относительные достоинства и недостатки поршневых, шестеренных и пластинчатых роторных насосов? 4. В чем заключается особенность работы винтовых насосов по сравнению с остальными роторными насосами? 5. Какие из роторных насосов исполняются в регулируемом по подаче варианте?
6. Какие из роторных насосов являются несамовсасывающими и какие самовсасывающими? 7. Каким образом можно регулировать подачу не- регулируемого роторного насоса? 8. Какие особенности у запуска роторных насосов? 9. Определить мощность насоса, если избыточное давление жидкости на входе равно 1 ат., на выходе -12 ат., подача насоса -
1 литр в секунду, общий к.п.д. – 90%.
1 2 3
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ГИДРОМАШИНЫ И КОМПРЕССОРЫ
Программа, методические указания и контрольные задания
по дисциплине «Гидромашины и компрессоры»
для студентов специальности 17.02.00 –
«Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» (МОП)
Тюмень, 2004
2
Утверждено редакционно-издательским советом
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
Тюменского государственного нефтегазового университета
Составители: доцент, к.т.н. Двинин А.А., доцент, к.т.н. Безус А.А.
© Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2004
3
Настоящие методические указания для студентов-заочников составлены согласно программе дисциплины "Гидромашины и компрессоры" для высших учебных заведений по специальности 17.02.00
«Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов».
Методические указания включают перечень вопросов со ссылкой к рекомендуемой литературе для самостоятельного изучения данной дисциплины, рекомендации к проработке отдельных тем, вопросы для самопроверки получаемых знаний и условия задач к контрольным работам.
Результатом обучения по настоящей программе должно быть:
- знакомство с принципом действия и устройством наиболее распространенных видов гидромашин и компрессоров, используемых при бурении и освоении нефтяных и газовых скважин;
- знание теории действия машин по вопросам, связанным с их применением;
- умение пользоваться характеристиками насосов, гидродвигателей, гидропередач, компрессоров;
- умение выбирать машины и привязывать их к комплексу оборудования по основным показателям;
- умение производить расчеты, связанные с приспособлением машин к технологическим условиям и регулированием;
- знание основных правил эксплуатации, охраны труда и внешней среды.
Теоретический курс необходимо прорабатывать последовательно по отдельным разделам и темам. Разделы начинаются с определения технических показателей данной группы машин. Далее предлагается типовой порядок изучения материала: схема устройства, принцип действия, элементы устройства, разновидности машин, применяемых на нефтяных и газовых промыслах, теория действия, характеристики машин, регулирования, правил эксплуатации, вопросы области применения, выбора типа и марки машин и др.
При выборе машин следует обращать внимание на оценку вариантов по экономическим критериям.
Изучение отдельных вопросов связано с выводами формул, основанных на законах гидравлики, теоретической механики, на которые следует обратить особое внимание. В ходе вывода формул важно помнить допущения, ограничивающие область применения полученных законов.
Работу над учебником желательно сопровождать решением задач по изучаемому вопросу, что позволяет лучше усвоить теоретический материал, выявить недоработки и недопонимание последнего.
Обязательным для студента-заочника является выполнение двух контрольных работ, каждая из которых состоит из 2-х задач. Вариант задачи студент находит по двум последним цифрам своего шифра: по
4
предпоследней цифре выбирается номер задания, а по последней - вариант.
Для нечетных предпоследних цифр и нуля соответствуют номера заданий
I, 3, адля четных - 2, 4. Если, например, шифр студенческой книжки имеет
№ 123465, то для каждой задачи необходимо взять условия из заданий 2, 4 и в каждом из них - 5-й вариант.
При решении задач необходимо делать ссылку на используемую литературу, список которой должен быть помещен в конце оформленной контрольной работы,
Цифровой материал задач необходимо представлять в размерности, соответствующей международной системе единиц измерения физических величин - СИ.
Студент, выполнивший все контрольные работы, допускается к лабораторным работам, которые обычно выполняются во время сессии, в специально отведенное для этого время. Выполненные и оформленные лабораторные работы студент обязан защитить. Зачет по курсу "Гидромашины и компрессоры" выставляется при зачтенных контрольных работах после защиты всех лабораторных работ.
Экзамен по курсу «Гидромашины и компрессоры» разрешается сдать при наличии зачета. Порядок сдачи зачета и экзамена определяется кафедрой "Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов", однако, во всех случаях зачет и экзамен сдаются очно.
5
ВВЕДЕНИЕ
Программа
Роль гидравлических и компрессорных машин в современной технике. Применение их при бурении нефтяных и газовых скважин, добыче, подготовке и транспортировке углеводородного сырья. Значение этих машин для комплексной механизации технологических процессов.
Общая классификация проточных машин: машины-двигатели и машины-орудия (насосы, компрессоры); динамические и объемные.
Баланс работ в проточной машине. Работа изменения давления как главная часть этого баланса.
Литература: [1, с. 3-4; 185-186], [2, с.3-5; 183-185], [3, с.154-158],
[4, с.917], [6, с.3-4; 175-178]
Контрольные вопросы.
1.
Каково основное назначение машин-двигателей и машин орудий?
2.Какие машины называются насосами, а какие - компрессорами? 3. В чем принципиальное отличие динамических машин от объемных?
4. Перечислите технологические процессы при бурении нефтяных и газовых скважин, при добыче и сборе продукции месторождений, в которых применяются гидравлические и компрессорные машины?
1. ГИДРОМАШИНЫ
1.1. Насосы
Программа.
Основные технические показатели насосов. Виды насосов.
Устройство и принцип действия динамических насосов. Элементы устройства центробежного насоса. Средства уравновешивания осевого усилия. Виды центробежных насосов.
Литература:. [1, с.8-30], [2, с.6-14; 71-92], [3, с.154-191], |4, с.284-
309], [5, с.182-184; 187-194], [6, с.137-144; 154-158].
Методические указания.
При изучении основных технических показателей, которыми характеризуются технологические возможности и энергетические потребности насосов, необходимо прежде всего понять физический
(энергетический) смысл этих показателей.
Разобравшись в основных показателях насосов, нужно выучить и
6
знать единицы измерения этих показателей в международной системе
(СИ), уметь делать перевод единиц измерения из ранее применявшихся систем (например, МКГСС)
В
СИ.
Контрольные вопросы.
1.Что называется объемной и массовой подачами насоса? 2.Какими методами можно определить фактическую подачу насоса? 3. В чем отличие понятий напора идавления насоса? 4. Как практически определить потребляемую мощность насоса? Полезную мощность? КПД насоса? 5. В чем принципиальное отличие динамических насосов от объемных? 6. Какие принципиальные отличительные особенности характерны для центробежного, осевого и вихревого насосов? 7. Назовите функции основных рабочих органов насоса: подвода, рабочего колеса, отвода, направляющего аппарата, переводного канала. 8. Расскажите основные средства уравновешивания осевого усилия
В центробежных насосах. 9. Перечислите виды уплотнений и места их применения в дина- мических насосах. 10. Как осуществляется компенсация осевого смещения вала при торцовых уплотнениях? 11. Назовите преимущества и недостатки сальниковых и торцевых уплотнений. 12. Что может произойти в случае неправильного направления вращения вала центробежного насоса?
13. Какие конструктивные особенности характеризуют центробежные насосы, применяющиеся при бурении скважин, добыче итранспортировке нефти?
1.2. Гидромеханика центробежного насоса
Программа.
Геометрические элементы лопастного аппарата. Движение жидкости в лопастном колесе. Планы скоростей. Режимы работы насоса. Уравнение
Эйлера. Мощности и к.п.д. Потери мощности в насосе.
Литература: [1, с. 30-38] , [2, с. 14-36] , [3, с. 161-167] , [4, с.58-74],
[5, с.141-148].
Методические указания.
Целью изучения данной темы является получение четкого представления о сложных гидродинамических процессах, происходящих в проточных частях центробежного насоса. Для этого необходимо, прежде всего, разобраться с геометрическими элементами лопастного аппарата, обратив особое внимание на конструктивные углы лопаток.
Рассматривая движение жидкости в лопастном колесе, сложное трехмерное состояние потока нужно несколько упростить и свести его к
7
плоской задаче. В этом случае абсолютное движение жидкости в межлопастном канале складывается из двух: переносного и относительного, Движение же жидкости по отношения к стенкам канала можно представить как сумму трех движений: в неподвижной решетке, вихревого и циркуляционного. Получая, таким образом, приближенное представление о модели потока, можно переходить к рассмотрению планов скоростей и их анализу. Очень важно понять всюсовокупность гидравлических явлений, происходящих в проточных каналах, которые обуславливают безударный режим работы насоса.
Контрольные вопросы.
1. Как влияют форма, углы наклона лопастей на эффективность работы центробежного насоса? 2. Из каких составляющих складывается абсолютная скорость жидкости в рабочем колесе? 3. Что называется углом атаки? 4. Что называется безударным режимом работы насоса? 5. Как определить расход жидкости через рабочее колесо при безударном ее входе в отвод? 6. Как записывается уравнение Эйлера, в общем, и частном видах? 7. В каком случае теоретический напор рабочего колеса имеет максимальное значение? 8. Какие пути можно предложить для снижения механических, гидравлических и объемных потерь мощности в центробежном насосе?
1.3. Характеристики лопастных насосов.
Программа.
Характеристика центробежного насоса для воды. Теоретический анализ характеристики. Влияние плотности и вязкости жидкости.
Безразмерная характеристика серии насосов. Применение
π
- теоремы для ее построения. Безразмерные комплексы. Принципы гидродинамического подобия в лопастных насосах. Формула подобия, их применение для построения характеристики насоса по частоте вращения.
Коэффициент быстроходности как классификатор типов лопастных насосов.
Литература: [1 с.38-50], [2 с. 38-56] , [3 с.167-184] , [4, с, 87-94], [5, с. 148-156; 166-182].
Методические указания.
Большинство задач, возникающих при проектировании, выборе и эксплуатации лопастных насосов, решаются графо-аналитическим способом, а для этого необходимо иметь полное представление об энергетических характеристиках насосов, представляющих семейство
8
кривых взаимной зависимости между подачей и напором (давлением), подачей и мощностью, а также подачей и общим к.п.д. Главной из них является напорная характеристика, поэтому изучение данной темы следует начинать с теоретического вывода и последующего анализа зависимости напора от подачи насоса. Вывод удобно начинать с уравнения Эйлера для безударного режима. Воспользовавшись треугольником скоростей, выразить в нем величину проекции абсолютной скорости на окружную скорость через радиальную составляющую, а ее в свою очередь выразить через расход жидкости в рабочем колесе, исходя из уравнения неразрывности потока жидкости. Полученную зависимость следует проанализировать для различных углов наклона лопастей на выходе рабочего колеса, построить графики, которые будут представлять прямые линии. Проанализировать переход от теоретических характеристик к фактическим.
Контрольные вопросы.
1. Почему в центробежных насосах рабочие колеса с лопастями, загнутыми по направлению вращения, не применяются? 2. Как влияет вязкость жидкости на напор (давление), мощность и к.п.д. насоса? 3. Что называется безразмерными комплексами? 4. Назовите наиболее распространенные комплексы. 5. Какой критерий представляет собой меру отношения сил инерции к силам трения? 6. Назовите три вида подобия и дайте их определения. 7. Какой режим работы насоса называется оптимальным? 8. На сколько изменится мощность на валу насоса, если частоту его вращения увеличить в два раза? 9. Для каких гидросистем
(трубопроводов) применяются насосы тихоходные, нормальные и быстроходные?
1.4. Возвратно-поступательные насосы (ВПН)
Программа.
Принцип действия и виды объемных насосов, виды ВПН. Элементы устройств. Насосы специального назначения, применение их при бурении, разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений.
Литература: [1, с.95-108] , [2, с.93-96; 148-1б2; 165-168] , [3, с.272-
279; 295-299], [4, с.174-187], [5, с. 5-6; 24-27; 33-37; 44-45; 50-67; 77-89] .
Методические указания
Из всего разнообразия насосов выделить встречающиеся при разработке нефтяных, газовых месторождений и более подробно остановиться на их устройстве, обращая пристальное внимание на такие
9
узлы, как цилиндропоршневая группа, поршни и плунжеры, клапаны, пневмокомпенсаторы, уплотнения, приводная часть и др.
Контрольные вопросы.
1. Чем отличается принцип действия объемного насоса и лопастного? 2. Как можно классифицировать возвратно-поступательные насосы по устройству? 3. Какие существуют механизмы передач движения рабочему органу ВПН? 4. Какие имеются типы клапанов? 5. Чем приводятся в действие клапаны насосов? 6. При каких условиях открываются и закрываются клапаны? 7. Где применяются шаровые клапаны? 6. Для чего служит пружина, прижимающая клапан в седло? 9. В каких случаях применяются весовые подъемные клапаны (без пружины)?
10. В каких случаях применяют резиновые или другие уплотнения в клапане или седле? 11. Какие существуют уплотнения штока? 12. Какой узел находится между штоком (полуштоком) и шатуном у насосов двукратного (двухстороннего) действия? 13. Для каких целей у ВПН устанавливают пневмокомпенсаторы? 14. Какие существуют типы пневмокомпенсаторов? 15. Какие существуют приводы скважинных насосов для добычи нефти? 16. Каким способом можно изменить подачу
ВПН? 17. Каким образом можно изменить подачу дозировочного насоса?
1.5. Теория действия ВПН.
Программа.
Рабочий объем и средняя подача насоса. Коэффициент подачи и влияющие на него факторы, Неравномерностьвсасывания и нагнетания кривошипных насосов различных типов.
Графики изменения скорости и ускорения потока жидкости. Прин- цип действия и расчет пневмокомпенсаторов.
Индикаторная диаграмма как средство диагностики и исследования насосов. Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность.
Потери мощности и к.п.д. Характеристика объемного насоса. Расчет всасывания ВПН при условии бескавитационной работы.
Литература: [1, с.108-118; 150-152], [2, с. 96-103; 113-118], [3, с.279-294] [5,. с.9-18; 40-44; 45-49] .
Методические указания.
Изучение данной темы может быть успешным при полном понимании принципа действия возвратно-поступательных насосов. Это необходимо, например, для определения параметров, основным из которых является рабочий объем. Методологический подход к
10
нахождению величины этого параметра является общим для всех объемных насосов и заключается в определении объема, описываемого всеми рабочими поверхностями вытеснителей за один оборот вала. По рабочему объему и числу оборотов вала насоса находят его теоретическую идеальную подачу, а затем - реальную. Для нахождения последней вводится не только объемный к.п.д., как это делалось для лопастных насосов, но и коэффициент наполнения. Произведение этих двух коэффициентов носит название объемного коэффициента. Не следует этот термин путать с объемным к.п.д.
Целесообразно рассматривать энергетические характеристики и
ВПН в сравнении с характеристиками лопастных насосов.
Контрольные вопросы.
1. Что называется рабочим объемом ВПН? 2. Как определить рабочий объем кривошипного поршневого двухцилиндрового насоса двухстороннего действия? 3.Какиепути существуют по снижению неравномерности нагнетания? 4. Как практически можно определить коэффициент неравномерности подачи? 5. Как снять индикаторную диаграмму? 6. Можно ли, при наличии индикаторной диаграммы, определять потери мощности и какого характера эти потери? 7. Как изменится индикаторная диаграмма в отличие от эталонной, если не закрывается всасывающий клапан? 8. Как определить давление кривошипного поршневого насоса, работающего на трубопровод? 9. Какие пути имеются для регулирования подачи кривошипного поршневого насоса?
1.6. Роторные насосы
Программа.
Общие сведения о назначении и видах роторных насосов.
Устройство и принцип действия шестеренных, роторно-поршневых и шиберных насосов.
Литература: [ 1.с. 122-133 ], [2, с.168-173 ], [3, с. 299-350 ], [4, с. 54-
68; 121-128] , [5, с. 113-138].
Методические указания.
В начале изучения материала по этой теме необходимо выяснить, почему роторные насосы относятся к типу объемных, что является в каждом из них рабочей камерой, а что вытеснителем. Обратить внимание на особенность рабочего процесса таких насосов, заключающуюся в том, что при вращении ротора рабочие камеры с жидкостью переносятся из
11
полости всасывания в полость нагнетания. Эта особенность делает излишними клапаны.
Все разнообразие роторных насосов нужноуметь классифицировать по характеру движения рабочих органов на роторно-вращательные и роторно-поступательные. Более подробную классификацию можно рассмотреть в [3, с. 300-301].
Рассматривая тот или иной тип роторных насосов, следует остановиться на его достоинствах и недостатках, области применения.
Контрольные вопросы.
1. В чем принципиальное отличие роторно-поступательных от роторно-вращательных насосов? 2.Можно лироторные насосы использовать в качестве гидромоторов? 3. Каковы относительные достоинства и недостатки поршневых, шестеренных и пластинчатых роторных насосов? 4. В чем заключается особенность работы винтовых насосов по сравнению с остальными роторными насосами? 5. Какие из роторных насосов исполняются в регулируемом по подаче варианте?
6. Какие из роторных насосов являются несамовсасывающими и какие самовсасывающими? 7. Каким образом можно регулировать подачу не- регулируемого роторного насоса? 8. Какие особенности у запуска роторных насосов? 9. Определить мощность насоса, если избыточное давление жидкости на входе равно 1 ат., на выходе -12 ат., подача насоса -
1 литр в секунду, общий к.п.д. – 90%.
1.7. Применение насосов
Программа.
Области применения различных насосов. Работа насоса в гидравлической системе. Определение давления насоса по условиям перекачивания жидкости. Выбор типа, марки насосов по подаче и давлению. Совместная работа насосов.
Основные правила эксплуатации насосов. Меры по охране труда и внешней среды.
Литература:[1, с. 133-160], [2, с. 56-62; 71-94; 144-165], [3, с. 175-
204], [4, с. 95-133], [5, с. 5-6; 49-50; 77-89; 164-170; 194-198; 211-213].
Методические указания.
Результатом изучения данной темы должна являться полная готовность студента к выбору насоса и правильной его эксплуатации, приспособленияк меняющимся условиям перекачивания жидкости.
Для определения режимов работы насоса нужно вспомнить из курса
12
гидравлики вопросы расчета простых и сложных трубопроводов, уметь строить характеристики потребного напора в трубопроводе в зависимости от расхода жидкости.
Разбирая правила эксплуатации насосов, надо опираться на полученные теоретические знания, ибо в них можно найти ответ на большинство практических вопросов. Обратить внимание на порядок пуска и остановки насосов, объяснить разные требования, предъявляемые при этом к насосам лопастным и объемным.
Контрольные вопросы.
1. Какие насосы применяют для добычи нефти и бурения скважин, перекачивания нефти по трубопроводам, закачки воды в пласты? 2.Где применяются роторные насосы? 3. Чем определяется режим работы насоса в гидравлической системе? 4. Какой режим работы насоса называется оптимальным? 5. Из каких составляющих суммируется потребный напор в гидросистеме? 6. В каких случаях применяют параллельное
И
последовательное соединение нескольких насосов при работе на гидросистему? 7. Какой из методов регулирования подачи центробежного насоса является самым экономичным? 8. В чем заключается дроссельное регулирование насоса и какие его недостатки? 9. Назовите особенности запуска центробежного и объемного насосов? 10. В чем заключаются особенности остановки центробежного насоса? 11. Что может случиться при внезапной остановке центробежного насоса? 12. Каковы отличительные особенности эксплуатации динамических и объемных насосов? 13. Назовите мероприятия по предотвращению загрязнения окружающей среды от утечек при перекачке насосом нефти и нефтепродуктов?
1 .8. Гидродвигатели.
Программа.
Основные технические показатели гидродвигателей: полезная мощность на валу или на штоке, потребляемая (гидравлическая) мощность и к.п.д. гидродвигателя. Виды гидродвигателей. Турбобуры. Устройство и принцип действия. Элементы устройства. Виды турбобуров.
Литература: [1, с. 3-4; 9-10; 52-57], [5, с. 225-227;246-249], [7, с. 62-
68]
Методические указания.
При изучении данной темы необходимо понять принцип действия всех видов гидродвигателей, выделить из них те, которые применяются
13
или могут быть использованы в технологических процессах бурения нефтяных и газовых скважин.
Особое внимание следует уделить устройству турбобуров, их отличительным особенностям в зависимости от назначения. Нужно научиться различать турбобуры по типу турбин, конструкции опор, диаметру корпуса и числу секции. В устройстве турбобура нет лишних деталей, поэтому ничто не должно быть оставлено без внимания.
Контрольные вопросы.
1. Что такое гидравлический двигатель? 2. От каких параметров текучей среды зависят основные показатели гидродвигателей: крутящий момент, мощность на валу, мощность на выходном штоке силового гидроцилиндра, частота вращения вала. 3. Что называется турбобуром?
4. Почему турбобур выполняется многоступенчатым? 5. Что такое ступень и секция турбобура? 6. Что входит в ротор и статор турбобура? 7. Чем воспринимается крутящий момент в статоре турбобура? 8. Как крепятся детали на валу и в статоре турбобура? 9. Чем фиксируется ротор относительно статора? 10. Как регулируется взаимное положение лопастных систем ротора и статора? 11. Что используется в качестве опор вала турбобура? 12. Какие устройства применяются для уплотнения выхода вала из корпуса турбобура и для защиты опор качения от по- падания абразива? 13. Для чего служит шпиндель турбобура?
14. Перечислите виды турбобуров.
1.9. Гидромеханика турбин турбобуров.
Программа.
Геометрические элементы осевой решетки лопастей. Движение жидкости в турбине. Планы скоростей и их изменение с частотой вращения вала. Режимы работы обтекания лопастей турбины. Безударный режим. Кинематические коэффициенты турбин и их связь с формой лопастных решеток. Классификация лопастных решеток прямоточных турбин.
Литература: [1, с. 57-69], [5, с. 227-238]
Методические указания.
Знакомство с данной темой следует начать с изучения терминов, встречающихся при характеристике решеток лопастей статора и ротора.
Знание терминов и их условных обозначений в дальнейшем значительно облегчит рассмотрение вопросов гидромеханики турбин. При изучении действия потока на турбину нужно внимательно проследить за изменением
14
скорости жидкости в лопастной системе, помня при этом, что в прямоточной турбине жидкость движется вдоль оси и вокруг нее.
Очень внимательно следует разобраться, на одном примере, с планом скоростей в турбине и с условиями обтекания лопастей статора и ротора жидкостью, после чего попробовать построить и проанализировать полигоны скоростей для разных режимов, а в дальнейшем и для разных типов турбинных решеток.
Контрольные вопросы.
1. Перечислите геометрические элементы решетки лопастей? 2. Что такое угол входа и угол выхода потока в решетке статора и ротора? 3. Что называется углом атаки потока? 4. Какой режим обтекания лопастей ротора и статора называется безударным? 5. По какому уравнению оп- ределяется момент действия потока на все поверхности ступени ротора?
6. Что называется коэффициентом осевой скорости, коэффициентом активности и коэффициентом циркуляции? 7. Как можно классифицировать лопастные решетки прямоточных турбин?
1.10. Характеристики турбин и турбобуров
Программа.
Характеристика турбины при постоянном расходе жидкости.
Теоретический анализ характеристики. Связь коэффициента циркуляции с формой кривых перепада давления и к.п.д.
Подобие в гидравлических турбинах. Критерии гидродинамического подобия в турбинах. Формулы подобия, их применение для перестроения характеристик при изменении расхода жидкости.
Параметры характеристик турбин турбобуров. Влияние вязко-пластичных свойств промывочной жидкости на характеристику турбины.
Характеристика турбобура. Отличие характеристик турбобура и турбины. Влияние трения в опорах турбобура. Средства изменения нагрузочной характеристики турбобура.
Литература: [1, с.69-85], [5, с.236-246] .
Методические указания.
Характеристики турбин турбобуров отображают взаимосвязи между основными техническими показателями. Установить эти взаимосвязи можно двумя путями: по результатам испытаний и приближенно - расчетным путем, используя ранее полученные знания законов гидромеханики турбин. При проработке данной темы, прежде всего, необходимо изучить методику построения комплексных характеристик, а
15
также научиться анализировать полученные зависимости для различных условий, обращая особое внимание на режимы подобных турбин.
Рассматривая подобие в гидравлических турбинах, важно понять, что в иных условиях использовать характеристики можно только для турбин одной и той же серии. Каждая турбина характеризуется лишь одним размером, например, средним диаметром. Любой размер рабочей полости и ее конструктивных элементов пропорционален этому характерному размеру, причем коэффициент пропорциональности одинаков для всей серии турбин.
Очень удобными для практического пользования являются безразмерные характеристики, при построении которых служат координаты, соответствующие различным безразмерным комплексам физических величин, поэтому необходимо ясно представлять назначение, физический смысл и возможности применения этих комплексов. Основные из множества критериев, величина которых соответствует наиболее эффективному использованию турбобура, представляют его определяющие параметры.
Получив четкое представление о характеристиках турбин в различных их выражениях, можно переходить к изучению характеристик турбобура. При этом нужно помнить, что характеристика турбобура отличается от характеристики его турбины вследствие механических потерь на трение. Особенно это различие ощутимо в турбобурах с резинометаллическими подшипниками, на что следует обратить особое внимание.
Рассматривая средства изменения нагрузочной характеристики турбобура, нужно проанализировать режимы работы системы турбобур- долото на устойчивость,
рассмотрев при этом малые отклонения параметров режима.
Контрольные вопросы.
1. Как строятся кривые зависимости момента, перепада давления, а также мощности и к.п.д. от частоты вращения вала? 2. Как теоретическим путем можно построить линии момента, давления и к.п.д. турбины? 3. Ка- ково влияние вязко-пластичных свойств жидкости на характеристику турбины? 4. Для чего нужны безразмерные характеристики серии турбин?
Как они строятся? 5. Каким путем делается переход от естественных координат к безразмерным и обратно? 6. Какие параметры характеризуют турбины турбобуров?
7. Из каких сил суммируются нагрузки на пяту турбобура? 8. Как определяется гидравлическая осевая сила от перепада давления жидкости? 9. Какие факторы определяют характеристику системы турбобур-долото-забой? 10. При каком условии можно считать, что пята полностью разгружена? 11. Что называется механической
16
характеристикой долота? 12. Что характеризует устойчивый режим работы турбобура? 13. Какие способы существуют для изменения нагрузочной характеристики турбобура?
1.11. Объемные гидродвигатели.
Программа.
Виды и принцип действия гидроцилиндров, поворотных гидродвигателей, гидромоторов. Устройство одновинтового забойного гидромотора, геометрия рабочих органов и кинематика. Характеристика гидромотора при постоянном расходе жидкости. Технические показатели существующих забойных гидромоторов.
Литература: [1, с. 160-169], [3, с. 307-356]
Методические указания.
В объемных гидродвигателях движущей силой выходного звена является сила гидростатического давления рабочей жидкости, поэтому разобравшись в устройстве того или иного гидравлического двигателя нужно правильно определиться с суммарными площадями поверхностей исполнительного звена, на которые давит жидкость, а так же - с рабочими объемами гидродвигателей. Первые влияют на величину усилия выходного звена при одном и том же перепаде давления, а вторые - на угловую скорость при одинаковой подаче жидкости.
Определенную трудность представляет изучение сложного механизма винтового двигателя, по своему устройству, в какой-то мере, напоминающего одновинтовой насос типа Муано. Данному вопросу нужно уделить максимум внимания, попытаться сделать сравнительную оценку с турбиной турбобура, в частности, по характеристикам обоих двигателей.
Контрольные вопросы.
1. Назовите объемные гидродвигатели, применяющиеся при бурении скважин. 2. Чем определяется скорость движения штока силового гидроцилиндра? 3. Как определить необходимое давление рабочей жидкости
В гидроцилиндре по заданной нагрузке выходного звена (штока, плунжера)? 4. Как рассчитать угловую скорость вала моментного гидроцилиндра и гидромотора. 5. Можно ли роторный гидромотор использовать в качестве насоса? 6. Как определить вращающий момент на валу гидромотора? 7. Как можно определить рабочий объем у винтового забойного двигателя. 8. От чего зависит перепад давления в винтовом забойном двигателе. 9. По каким уравнениям строятся теоретические характеристики забойных двигателей при постоянном расходе жидкости?
17 10. В чем сходство и разница характеристик винтового двигателя и турбины турбобура?
1.12. Гидродинамические передачи
Программа.
Назначение, главные свойства и схема устройства гидродинамического трансформатора (ГДТ). Характеристика ГДТ размерная и безразмерная. Схема устройства и характеристика гидродинамической муфты. Устройство и характеристика ГДТ.
Построение совместной характеристики двигателя с ГДТ.
Литература: [I, с.85-95], [3. с. 240-262 ], [5, с. 249-253].
Методические указания.
Так как гидродинамические передачи представляют собой комбинацию двух гидродинамических машин - лопастного насоса и турбины, объединенных в круге циркуляции жидкости, то их изучение значительно упрощается, если имеется полная ясность по ранее проработанным темам 1.1.- 1.3 и 1.8 - 1.10 данной программы дисциплины.
Контрольные вопросы.
1. Какие трансмиссии применяются для приспособления двигателя к изменяющимся условиям нагрузки исполнительных механизмов и машин?
2. Что отличает гидродинамические передачи от известных трансмиссий?
3. Как определяется к.п.д. любой трансмиссии? 4. Что такое коэффициент трансформации крутящего момента? 5. Какие свойства присущи гидродинамическим передачам? 6. Что такое гидравлическая муфта и гидротрансформатор, в чем их конструктивная разница? 7. Какое назначение реактора в гидротрансформаторе? 8. Что такое разрезной реактор, его назначение и в каких гидродинамических передачах он применяется? 9. Что называется тяговым режимом противовращения и стоповым моментом работы гидропередачи? 10. Какие характеристики гидротрансформатора называются прозрачными и непрозрачными? 11. Как получают безразмерную характеристику гидропередачи и каково её назначение? 12. В какой последовательности строится характеристика агрегата двигатель-гидротрансформатор?
1.13. Объемный гидропривод.
Программа.
Назначение объемного гидропривода, его составные части.
