Проектирование электронасосного агрегата. НОНО_КР_2023_бНГ-192 _Радченко ДД. Курсовой проект по дисциплине Насосное оборудование нефтяной отрасли Тема Проектирование электронасосного агрегата
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «ВГТУ») Факультет машиностроения и аэрокосмической техники Кафедра нефтегазового оборудования и транспортировки Курсовой проект по дисциплине «Насосное оборудование нефтяной отрасли» Тема: «Проектирование электронасосного агрегата» Расчетно-пояснительная записка Выполнил(а) студент __курса группы__________________ ( Д.Д. Радченко) ( курс, группа, подпись) (инициалы, фамилия) Руководитель ст. преподаватель__________ ( Е.М. Оболонская ) (должность, звание, подпись) (инициалы, фамилия) Дата сдачи « » 2023 г. Оценка ____________________ Воронеж 2023 2 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «ВГТУ») Факультет машиностроения и аэрокосмической техники Кафедра нефтегазового оборудования и транспортировки ЗАДАНИЕ ПО ПОДГОТОВКЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА по дисциплине «Насосное оборудование нефтяной отрасли» Студенту Радченко Данилу Дмитриевичу (фамилия, имя, отчество студента) 1. Тема курсовой работы (курсового проекта):_ «Проектирование электронасосного агрегата» 2. Срок сдачи студентом курсовой работы (курсового проекта): 01.02.2023 3. Исходные данные: частота вращения ротора n = 2950 об/мин; подача q = 100 м 3 /ч; напор H =50 м. 4. Краткое содержание курсовой работы (курсового проекта): ознакомиться с устройством и принципом работы ЦН; выполнить гидравлический расчет и определить: основные геометрические размеры проточной части; объемные потери; радиальные и осевые силы, действующие на ротор; выполнить профилирование проточной части: рабочего колеса; спирального отвода; выполнить чертежи проточной части насоса; выбрать по каталогам и справочной информации электродвигатель. Руководитель ст. преподаватель (Е.М. Оболонская) Дата выдачи задания 13.01.2023 Задание принял к исполнению 13.01.2023 Студент курса группы (Д.Д. Радченко ) 3 СОДЕРЖАНИЕ Задание на курсовой проект 2 Введение 1 Насосы нефтегазовой отрасли 1.1 Разновидности нефтегазовых насосов 1.2 Конструктивные особенности нефтяных насосов 1.3 Область применения нефтяных насосов 1.4 Классификация нефтяных насосов 4 5 6 7 8 9 2 Исходные данные 13 3 Гидравлический расчет 14 3.1 Определение дополнительных исходных данных 14 3.2 Определение основных геометрических и кинематических параметров рабочего колеса 17 3.2.1 Геометрические и кинематические параметры на входе в рабочее колесо 18 3.2.2 Геометрические и кинематические параметры на выходе из рабочего колеса 19 3.2.3 Определение объемных потерь 22 3.2.4 Определение основных геометрических параметров отвода 25 4 Расчет сил, действующих на ротор 26 4.1 Расчет осевой силы 26 4.2 Расчет радиальной силы 27 5 Профилирование проточной части 29 5.1 Проектирование меридионального сечения рабочего колеса 29 5.2 Профилирование лопасти рабочего колеса 30 5.3 Профилирование спирального отвода 31 6 Подбор электродвигателя 33 Заключение 35 Список литературы 36 Приложение А Чертеж меридионального сечения 4 Приложение Б Чертеж профиля рабочего колеса Приложение В Чертеж профиля спирального отвода 5 ВВЕДЕНИЕ Насосы нефтегазовой отрасли предназначены для перекачки и транспортировки нефти и нефтепродуктов, к которым относятся мазут, углеводороды, бензин, керосин и другие жидкости. Насосы должны обеспечить безопасность и эффективность процесса перекачивания нефтепродуктов, это самое распространенное оборудование для данной отрасли. Основным отличием нефтегазовых насосов можно назвать то, что они способны работать абсолютно в любых условиях эксплуатации. Кроме того, агрегаты способы перекачивать жидкости с высоким уровнем вязкости. Так как насосные станции работают в отрытом пространстве, они должны быть устойчивы к атмосферным воздействиям и суровым погодным условиям. Кроме того, оборудование должно быть достаточно мощным, так как при перекачке нефти оно доставляет жидкость с больших глубин. В настоящей работе приведены этапы расчета и проектирования проточной части центробежного насоса. 6 1 Насосы нефтегазовой отрасли Насосы нефтегазовой отрасли предназначены для перекачки и транспортировки нефти и нефтепродуктов, к которым относятся мазут, углеводороды, бензин, керосин и другие жидкости. Насосы должны обеспечить безопасность и эффективность процесса перекачивания нефтепродуктов, это самое распространенное оборудование для данной отрасли. Основным отличием нефтегазовых насосов можно назвать то, что они способны работать абсолютно в любых условиях эксплуатации. Кроме того, агрегаты способы перекачивать жидкости с высоким уровнем вязкости. Так как насосные станции работают в отрытом пространстве, они должны быть устойчивы к атмосферным воздействиям и суровым погодным условиям. Кроме того, оборудование должно быть достаточно мощным, так как при перекачке нефти оно доставляет жидкость с больших глубин. 1.1 Разновидности нефтегазовых насосов Насосное оборудование можно разделить на виды в зависимости от типа привода: Механические насосы. Гидравлические. Электрические. Термические. Пневматические. В настоящее время на предприятиях чаще всего устанавливают электрические насосы, так как оборудование с таким приводом наиболее удобно при наличии электрической сети для питания. Привод позволяет работать с любыми нефтепродуктами и на любой глубине скважины. Пневматические приводы устанавливают на центробежные насосы, они уместны в том случае, когда можно использовать энергию природного газа, так как это позволит увеличить рентабельность насосной установки. Такие насосы могут перекачивать следующие виды жидкостей: Нефть в сыром виде. 7 Нефтепродукты – керосин, бензин, мазут и т д. Нефтегазовые эмульсии. Сжиженный газ. Осадки. Пластовые воды. Жидкие среды с малой агрессивностью. 1.2 Конструктивные особенности нефтяных насосов Среди общих особенностей конструкции такого оборудования можно выделить следующие: Торцевое утопление. Гидравлическая часть насосного агрегата. Заземление электродвигателя и его защита от взрыва. Специфические материалы, обеспечивающие возможность установки нефтяного насоса на открытой местности, а не в помещениях. Винтовые и центробежные насосы Нефтяные насосные установки также можно разделить на два вида – винтовые и центробежные. Винтовые установки работают в любых, даже самых суровых условиях, в отличие от центробежных, поэтому установка их на открытой местности предпочтительнее. Кроме того, важным преимуществом винтовой насосной установки является то, что она способна перекачивать жидкость с высокой вязкостью, так как винты в процессе перекачки не задействованы. Винтовая насосная установка может иметь одно- и двухвинтовую систему, оба варианта отличаются высокой производительностью и имеют отличную всасывающую способность. Они могут создавать большой уровень напора и давления. Двухвинтовые насосы являются оптимальным вариантом при работе с битумом, гудроном и мазутом, так как они могут легко перекачивать очень густые жидкости даже при серьезных изменениях температуры. Такие насосы нефтегазовой отрасли способны осуществлять перекачку нефти температурой до +450 градусов, а 8 температура окружающей среды при этом может составлять –60 градусов. Оборудование работает даже с очень загазованными жидкостями, загазованность может достигнуть 90%. Перекачка нефти из скважин является не единственным назначением винтового насоса, они также используются для разгрузки цистерн, баков с кислотой, спектр применения их шире, чем центробежных насосов. Классификация центробежных насосов делит их на 3 группы – консольные, двухопорные и вертикальные. Консольные оснащаются упругой муфтой, монтируются на лапах или по оси. Могут монтироваться как вертикально, так и горизонтально. Аппараты используются для перекачки нефтепродуктов и жидкостей до 200 градусов. Двухопортные насосные установки могут быть одноступенчатыми, двухступенчатыми и многоступенчатыми, максимальная температура перекачиваемой жидкости – 200 градусов. Среди центробежных лучшими считаются вертикальные подвесные насосы, которые изготовляются в однокорпусной или двухкорпусной модификациях. Они также имеют слив и оснащаются направляющим аппаратом. 1.3 Область применения нефтяных насосов Насосы нефтяной отрасли предназначаются для перекачки нефтепродуктов и сырой нефти. Современные насосы способны обеспечить надежность и эффективность перекачки нефти из скважин любой глубины. Они имеют ряд существенных отличий от другого оборудования, главным из которых можно назвать то, что насосы способны работать в любых погодных условиях. Как правило, такие агрегаты устанавливаются на открытой местности, следовательно, они устойчивы к перепадам погоды и температур. Область применения данного оборудования очень широка, она не ограничивается только предприятиями по нефтедобыче. Но именно нефтехимические производства составляют основу области использования насосных станций. 9 Насосы нефтяной отрасли необходимы во всех областях, где осуществляются процессы перекачки нефти и нефтепродуктов, а также сжиженного газа и любых веществ, схожих с нефтепродуктами по физическим свойствам. Насосы предназначены для работы как в помещениях, так и на открытом воздухе. Нефтяные насосы устанавливаются на: Предприятиях нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности. В крупногабаритных котельных. На любых распределительных предприятиях. В основе подачи топлива к ТЭЦ и ТЭС. При перекачке нефтепродуктов из скважины. При перекачке товарной или сырой нефти. При транспортировке газового конденсата. При перекачке сжиженных газов. Для перекачки горячей воды. В системах генерации давления. 1.4 Классификация нефтяных насосов По уровню температуры жидкости ведется классификация нефтяных насосов. В соответствии с ней оборудование делится на такие виды: Насосы, которые перекачивают нефтепродукты при температуре около 80 градусов. К ним относятся полупогружные, магистральные, горизонтальные многоступенчатые и секционные чугунные насосы, а также одноступенчатые стальные. Вторая группа – оборудование для перекачки жидкости температурой до 200 градусов. Это нефтяные консольные и горизонтальные многоступенчатые насосы из чугуна. Оснащены одинарными уплотнениями. Самые мощные – насосы для перекачки жидкостей при температуре 400 градусов. Это консольные аппараты из стали. Оснащены торцевым уплотнением в два слоя. 10 Классификация также ведется по области применения оборудования – насосы могут быть для транспортировки и добычи нефти, а также для подготовки и переработки вещества. Насосами для добычи и транспортировки являются особые аппараты, которые подают нефть на автоматизированные групповые установки, которые замеряют ее количество. Насосы для подготовки служат для подачи нефти в сепараторные устройства, печь и центрифуги. Кроме того, все насосы нефтяной отрасли делятся на винтовые и центробежные. Винтовые гораздо лучше в эксплуатации, так как они способны быстро перегонять даже очень вязкие вещества. Кроме того, винтовые насосы могут работать с более горячими жидкостями и при более низких температурах. Винтовые насосные станции могут иметь один или два винта, при этом сами винты не задействованы в перекачке нефти. Они более продуктивные и практичные, отличаются улучшенной всасывающей способностью. Конструкция насосов Все насосы состоят из таких деталей: Корпус насоса. Втулка для понижения давления при работе. Диафрагма для равномерной балансировки. Рубашка рабочего колеса. Колесо с диффузором. Крепежные шпильки. Вал. Опорный болт. Уплотнение болта. Патрубок. Это упрощенная конструкция насосов, в реальности на станции могут использоваться более сложные варианты для обеспечения лучшего результата. Консольные центробежные нефтяные насосы Консольные центробежные нефтяные насосы применяются с целью транспортировки очищенных нефтепродуктов от газовых и механических примесей. 11 Они перекачивают сырье с температурным показателем до 360° С во время технологических операций химических и нефтеперерабатывающих производств. Также эксплуатируются для поставки воды на взрывоопасных территориях. Консольные центробежные нефтяные насосы предназначены для использования в технологическом оборудовании не только нефтяных производств, но и в других отраслях народного хозяйства для транспортировки нефти, нефтяных продуктов, различных жидкостей, углеводородных газов, которые имеют общие свойства по весу, вязкости и почвенной агрессии. Безопасность при использовании и высокая степень эффективности являются главными качествами консольных центробежных нефтяных насосов. При переработке нефти в данном оборудовании на ресурс влияют не только сложные углеводороды, но и также такие условия, как огромный температурный диапазон и разное давление. Вторым свойством переработки нефтяного ресурса и нефтепродуктов является вязкость транспортируемой среды. При перекачивании сырья и подъеме полезных ископаемых с нефтяных скважин надо предоставить консольному насосу конкретную степень мощности. Вид энергии, который применяется оборудованием, может значительно повлиять на эксплуатационные особенности скважины. При разных условиях применения нефтяных насосов нужно подбирать разные приводы. Применяемые приводы для нефтяных насосов При изготовлении насосов для нефтегазовой промышленности применяются следующие типы приводов: Термический; Электрический; Механический; Гидравлический; Пневматический. Этот вид оборудования является достаточно эффективным при перекачивании нефтяного ресурса. Его часто используют на перерабатывающих производствах. 12 Однако не только он представлен на экспозиции «Нефтегаз». На выставке можно найти массу другого оснащения, которое гарантированно привлечет внимание посетителей. Сюда приезжают самые продвинутые производители нефтегазового оборудования в России, которые существенно расширили изготовление разнообразных механизмов и установок по причине повышения требований заказчиков. Все эти факторы повлияли на изменения в этой индустрии. Стали другими технологии и методики добычи, переработки сырья, его очистки от микроэлементов. Каждая нефтяная и газовая структура имеет большое значение для всего государства. Даже самые крупные гиганты не могут обойтись без поддержки со стороны мелких фирм, которые предоставляют различные виды услуг, связанных с производственной деятельностью. Инновационное производство оборудования для нефтегазовой промышленности обычно осуществляется с участием программного обеспечения, и для эксплуатации такого рода технологий требуется высокий уровень подготовки. Благодаря квалифицированным кадрам, а также применяемым технологиям и методикам, сегодня нефтегазовое приспособление ничем не уступает западным аналогам, а касательно ценовых характеристик занимает более выгодные места. Научно-производственный потенциал России обеспечивает решение самого широкого круга задач по добыче и переработке нефти и газа. Сейчас проводится модернизация установок и агрегатов для работы с углеводородным сырьем. Нынешнее производство нефтегазовых приспособлений полностью отвечает всем мировым стандартам и нормам и идеально подходит для продвижения предпринимательского дела. Все виды оборудования имеют долгий срок эксплуатации. 13 2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ От качества проектирования и изготовления проточной части во многом зависит экономичность (КПД) центробежного насоса. Проточная часть центробежного насоса состоит из следующих элементов: подводящего устройства (подвода); центробежного рабочего колеса; отводящего устройства (отвода). Расчет центробежного насоса состоит из следующих основных этапов: - определение дополнительных исходных данных для расчета; - определение основных геометрических параметров рабочего колеса; - определение основных геометрических параметров спирального отвода; - проектирование меридианного сечения; - профилирование лопасти; - профилирование спирального отвода. Исходные данные для расчета приведены в таблице 1. Таблица 1 – Исходные данные для расчета № п/п Наименование параметра Значение 1 Подача насоса q, м 3 /ч 100 2 Подача насоса Q, м 3 /c 0,0277778 3 Напор насоса H, м 50 4 Частота вращения n, об/мин 2950 5 Плотность перекачиваемой жидкости , кг/м 3 1000 14 3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 3.1 Определение дополнительных исходных данных Для выявления конструктивного типа колеса коэффициент быстроходности n s определим по формуле: 𝑛 𝑠 = 3,65 ∙ 𝑛 √𝑄 𝐻 3 4 = 95,44125 . (1) Приведенный диаметр входа в колесо D 1пр определим по формуле, м: 𝐷 1пр = К вх ∙ √ 𝑄 𝑛 3 =0,09, (2) где К bx = 3,25…5,0 – коэффициент входной воронки рабочего колеса. Меньшие значения принимаются для промежуточных ступеней многоступенчатых насосов с целью получения лучших гидравлических качеств, а большие - для одноступенчатых насосов и первых ступеней многоступенчатых насосов для повышения их кавитационных качеств, а также при малых размерах рабочего колеса. Примем 4,25. Найдем гидравлический КПД насоса η г по формуле А.А.Ломакина: 2 3 1 172 0 10 42 0 1 . D lg . пр г =0,868. (3) Найдем объемный КПД насоса η об по формуле А.А.Ломакина: 𝜂 об = 1 1+0,68∙𝑛 𝑠 −2/3 = 0,968. (4) 15 Внутренний механический КПД η д.т определяется по формуле А.А.Ломакина : 𝜂 д.т. = 1 1+ 820 𝑛𝑠2 = 0,917. (5) Внешним механическим КПД задаемся: η м принимаем равным 0,96. Тогда общий КПД насоса будет равен: 𝜂 = 𝜂 г ∙ 𝜂 об ∙ 𝜂 д.т. ∙ 𝜂 м = 0,74 (6) Мощность, необходимая для привода насоса N, кВт: 𝑁 = 𝜌𝑔𝐻𝑄 10 3 ∙𝜂 = 18,41. (7) где ρ - плотность среды, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с 2 𝑁 𝑚𝑎𝑥 = 𝑘 ∙ 𝑁 = 20,25 (8) где k – коэффициент запаса мощности, k=(1.1-1.2), возьмем 1,1. Теоретический напор лопастного колеса H т, м: Н т = 𝐻 𝜂 г = 57,63. (9) Диаметр вала под рабочим колесом определяется из расчета на кручение по формуле, м: d в = √ 16∙30∙𝑁 𝑚𝑎𝑥 ∙1000 3,14∙150∙10 5 ∙𝑛 3 = 0,041. (10) 16 Диаметр втулки, м d вт = 1,25∙ d в = 0,052. (11) Для высокооборотных и мощных многоступенчатых насосов втулочное отношение 5 , 0 4 , 0 2 D d bm , в то время как для насосов малой мощности характерно втулочное отношение равное 0,2–0,3. Для консольных насосов диаметр втулки теоретически равен 0. На практике обычно принимают конструктивно d вт =20-40мм. 17 3.2Определение основных геометрических и кинематических параметров рабочего колеса К основным геометрическим параметрам рабочего колеса относятся : диаметр входной воронки D 0 ; наружный диаметр D 2 ; ширина меридианного сечения на входе b 1 и на выходе b 2 ; угол наклона лопасти на входе в рабочее колесо 1 и на выходе 2 ; толщины лопастей на входе S 1 и выходе S 2 ; количество лопастей z. Меридианное сечение центробежного рабочего колеса с основными геометрическими параметрами приведено на рисунке 1. Рисунок 1 – Меридиональное сечение 18 3.2.1 Геометрические и кинематические параметры на входе в рабочее колесо Расчетная подача колеса 𝑄 ′ больше подачи 𝑄 на величину объемных потерь, м 3 /с: 𝑄 ′ = 𝑄 𝜂 об = 0,029. (12) Скорость потока на входе 𝜐 0 должна быть выбрана так, чтобы обеспечить благоприятные условия для проектирования лопасти. В первом приближении 𝜐 0 , м/с: 𝑣 0 = 𝛼 0 ∙ √𝑄 ′ ∙ 𝑛 2 3 = 5,04, (13) где 𝛼 0 - коэффициент, обычно находящийся в пределах 0,06-0,08. Принимаем 𝛼 0 = 0.08. При выбранном значении диаметра втулки диаметр входа в колесо 𝐷 0 найдем из уравнения, м: 𝐷 0 = √𝐷 1пр 2 + d вт 2 = 0,103. (14) Диаметр входа лопасти принимаем равным, м: 𝐷 1 = 0,8 ∗ 𝐷 0 = 0,083. (15) Принимаем меридиональную составляющую скорости потока 𝜐 𝑚1 ′ = 𝑣 0 м/с. Ширина канала на входе в меридиональном сечении 𝑏 1 , м: 𝑏 1 = 𝑄 ′ 𝜋∙𝐷 1 ∙𝜐 𝑚1 ′ = 0,022. (16) 19 Окружная скорость на входе в колесо, м/с: 𝑢 1 = 𝜋∙𝑛 30 ∙ 𝑟 1 =12,78. (17) Зададим предварительно коэффициент стеснения сечения лопастями на входе K 1 =(1,1-1,3). Примем K 1 =1,2. Угол безударного поступления потока на лопасть, град: 𝛽 10 = а tan 𝐾 1 𝜐 𝑚1 ′ 𝑢 1 = 0,442. (18) Тогда входной угол лопасти β 1 , град: 𝛽 1 = 𝛽 10 + 𝛿=30,33, (19) где δ – угол атаки, равный (3̊ - 8̊ ). Примем 5 0 3.2.2 Геометрические и кинематические параметры на выходе из рабочего колеса Выходные элементы рабочего колеса проектируются из условия необходимого расчетного теоретического напора Н т и устойчивости потока в канале колеса, т.е. определенного отношения 2 1 W W относительных скоростей входа и выхода в целях создания благоприятных условий для безотрывного обтекания потоком поверхности лопастей. Коэффициент окружной скорости на выходе из РК Ku2: К 𝑈2 = 𝐶 𝑈2 𝑈 2 (20) Обычно К U2 = 0,5 … 0,6. Принимаем К U2 = 0,6. 20 Окружная скорость на наружном диаметре РК в первом приближении 𝑈 2 , м/с: 𝑈 2 = √ 9,81∙Н т К 𝑈2 =30,696. (21) Наружный диаметр РК в первом приближении, м: 𝐷 2 = 𝑈 2 ∙60 𝜋∙𝑛 =0,199. (22) Зададим предварительно коэффициент стеснения сечения лопастями на выходе K 2 =(1,05-1,15). Примем K 2 =1,14. Меридианная составляющая абсолютной скорости 𝜐 𝑚2 ′ , м/с, на выходе из РК: 𝜐 𝑚2 ′ = (0,5 … 1) ∙ 𝜐 𝑚1 ′ (23) Примем 𝜐 𝑚2 ′ = 1 ∙ 𝜐 𝑚1 ′ =5,04. (24) Тогда угол выхода лопасти β 2 , град: 𝛽 2 = аsin (𝑠𝑖𝑛 𝛽 1 ∙ 𝑤 1 𝑤 2 ∙ 𝐾 2 𝐾 1 ∙ 𝜐 𝑚2 ′ 𝜐 𝑚1 ′ . )=30. (25) Определим число лопаток Z: 𝑍 = 6.5 𝑟 2 +𝑟 1 𝑟 2 −𝑟 1 𝑠𝑖𝑛 𝛽 1 + 𝛽 2 2 (26) Примем Z=7. Поправка на влияние конечного числа лопастей р: 𝑝 = 2𝜓 𝑍 1 1−( 𝐷1 𝐷2 ) 2 =0,33, (27) 21 где ψ – коэффициент, равный: 𝜓 = (0.55 ÷ 0.65) + 0.6𝑠𝑖𝑛𝛽 2 = 0,95. (28) Во втором приближении 𝑢 2 , м/с: 𝑈 2 = 𝜐 𝑚2 ′ 2𝑡𝑔𝛽 2 + √( 𝜐 𝑚2 ′ 2𝑡𝑔𝛽 2 ) 2 + 9,81 ∙ (1 + 𝑝) ∙ Н 𝑡 =32 (29) Наружный диаметр РК, м: 𝐷 2 = 𝑈 2 ∙60 𝜋∙𝑛 =0,208. (30) Ширина канала на выходе, м: 𝑏 2 = 𝑄́ 𝜋𝐷 2 𝑣̀ 𝑚2 = 0,0087. (31) Зададимся толщинами лопатки на входе, выходе и максимальной: δ 1 =3мм, δ 2 =4,5 мм, δ max =4,5 мм. Уточним коэффициенты стеснения: 𝐾 1 = 1 1− 𝑍∙δ1 𝜋∙𝐷1∙𝑠𝑖𝑛 𝛽1 =1,2, 𝐾 2 = 1 1− 𝑍∙δ2 𝜋∙𝐷2∙𝑠𝑖𝑛 𝛽2 = 1,14. (32) Так как 𝑢 2 , 𝐾 1 , 𝐾 2 , вычисленные во втором приближении, удовлетворительно совпадают с их значениями в 1-м приближении, то принимаем эти величины за окончательные. Тогда относительные скорости на входе и выходе, м/с: 22 𝑤 1 = 𝐾 1 𝜐 𝑚1 ′ 𝑠𝑖𝑛 𝛽 1 = 12,94, 𝑤 2 = 𝐾 2 𝜐 𝑚2 ′ 𝑠𝑖𝑛 𝛽 2 = 11,16. (33) После определения основных геометрических параметров рабочего колеса приступают к следующим этапам его проектирования. При профилировании лопасти возможно изменение положения ее входной кромки. В этом случае необходимо приведенные выше расчеты повторить. 3.2.3 Определение объемных потерь Внутри насоса по зазорам между ротором и статором возникают утечки, которые уменьшают полезную подачу насоса и в некоторых случаях создают дополнительные гидравлические потери. В зависимости от конструкции насоса утечки возникают в различных местах. Наиболее характерными являются потери в переднем уплотнении колеса Q 1 , в системе уравновешивания осевого давления Q 2 и в уплотнениях ступицы колеса Q 3 . Для данной конструкции насоса характерны утечки первого случая. Их величину стоит увеличить в 2 раза, т.к. уравновешивание осевой силы осуществляется путем установки на задней стороне колеса уплотнения на таком же радиусе, что и переднее. Простейшая система уплотнения имеет форму кольцевой щели. Рассматривая утечку как истечение жидкости через кольцевое отверстие, имеем: Расход через зазор: 𝑄 𝑦 = 𝜇 ∙ 𝐷 упл ∙ 𝜋 ∙ 𝛿 упл ∙ √2 ∙ ∆Р 𝜌 = 0,00061, (34) где D упл = 1.1 D 0 = 0,114м; 𝜌 = 1000 - плотность, кг/м 3 ; 𝛿 упл =0,0002- зазор в уплотнении, м; – коэффициент расхода: 23 𝜇 = 1 √ 𝜆∙𝐿 2∙𝛿упл +1.5 = 0,371. (35) где L=0,02 – длина уплотнения, м; – коэффициент сопротивления трения при движении: 𝜆 = 1 (1,74+2∙log( 𝛿упл 𝑘𝑘 )) 2 =0,115. (36) где kk =0,00005– абсолютная шероховатость поверхности, м; P – перепад давления на уплотнении, Па: ∆Р = 𝑃1 упл − 𝑃1 =265741. (37) Р1 упл – давление перед уплотнением: = 365741, (38) где - коэффициент закрутки (для гладкого диска = 0.25); угловая скорость: 𝜔 = 𝜋∙𝑛 30 =308,767; (39) Р1=100000 – давление на входе в насос, Па. Н ст – статическая составляющая напора, м: Н ст = 𝑉 𝑢2 ∙(2∙𝑈 2 − 𝑉 𝑢2 )+ 𝜐 𝑚1 ′ 2 − 𝜐 𝑚2 ′ 2 2∙9,81 = 41,835. (40) 24 Окружная составляющая абсолютной скорости на выходе, м/с: 𝑉 𝑢2 = 1 1+𝑝 ∙ (𝑈 2 − 𝜐 𝑚2 ′ tan 𝛽 2 ) = 17,604. (41) Теоретическая подача с учетом утечек, м3\с: y Q Q Q 2 1 = 0,029. (42) Объёмный КПД: 1 Q Q об = 0,958. (43) Полученное значение объёмного КПД отличается от заданного на 1,1%, следовательно, принятые размеры рабочего колеса следует считать окончательными. 25 3.2.4 Определение основных геометрических параметров отвода Отводящие устройства (отводы) – это неподвижные элементы проточной части, расположенные непосредственно за рабочим колесом. Назначение отводов следующее: собрать жидкость за рабочим колесом и отвести ее к выходному патрубку, уменьшить скорость жидкости, выходящей из колеса, преобразовать кинетическую энергию жидкости в потенциальную энергию давления. Ширина отвода определяется по формуле, м: 𝑏 3 = 𝑏 2 + 𝑅 2 ∙ (0,08 … 0,15) = 0,015, (44) 𝑅 2 = 𝐷 2 2 = 0,08. (45) Диаметр начала языка отвода, м: 𝐷 3 = 𝐷 2 ∙ (1 + 𝑛𝑠 1000 ) =0,21781. (46) Скорость в «горле», м\с: 𝑉 г = 𝑉 𝑢2 ∙ (0,6 … 0,7) = 10,5627 (47) Определим параметр А для расчетного сечения, м: 𝐴 = 𝑄 𝑉 г ∙𝑏 3 = 0.051 (48) Сторона конструкторского квадрата определяется по формуле: а=А/4=0,013. (49) 26 4 РАСЧЕТ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА РОТОР 4.1 Расчет осевой силы Осевая гидравлическая сила есть сумма неуравновешенных сил, действующих на ротор насоса в осевом направлении. Рабочее колесо одностороннего входа с проходным валом или без него подвергается воздействию осевой силы, так как поверхность его основного диска, находящаяся под давлением нагнетания, больше аналогичной поверхности покрывающего диска. Для нормальной работы уплотнений, когда утечка близка к нулю, жидкость вращается в обеих пазухах как твердое тело с угловой скоростью, равной половине угловой скорости вращения рабочего колеса. Распределение давления по радиусам описывается параболическим законом, а осевая сила, направленная в сторону всасывания, определяется по формуле: 𝑃 1 = 𝜋𝜌𝑔(𝑟 𝑦1 2 − 𝑟 𝑦2 2 ) [𝐻 𝑝 − 𝑢 2 2 8𝑔 (1 − 𝑟 𝑦1 2 +𝑟 𝑦2 2 2𝑟 2 2 )] = 0, (50) где r y1 ,r y2 – радиусы переднего и втулочного уплотнений, м; H p – потенциальный напор, равный 0,7H т , м. Так как переднее уплотнение и уплотнение втулки находятся на одном радиусе (из конструктивных соображений), то P 1 =0. Кроме того, в сторону нагнетания вдоль оси насоса действует динамическая составляющая осевой силы P 2 , обусловленная натеканием потока и изменением его осевого направления движения на радиальное: 𝑃 2 = 𝜌𝑄 ′ 𝑣 0 = 144,47 𝐻. (51) Суммарная осевая сила вычисляется так: 𝑃 = 𝑃 1 − 𝑃 2 = − 𝐻 = −144,47. (52) 27 4.2 Расчет радиальной силы Давление в отводящем устройстве центробежного насоса распределено равномерно на выходе из рабочего колеса только на оптимальном режиме. На подачах менее оптимальных давление в спиральном отводе на периферии колеса становится неравномерным и возрастает от начального сечения до конечного. В этом случае спиральный отвод работает как диффузор. В случае, когда насос работает с подачей, большей оптимальной, давление в спиральном отводе уменьшается от начального к конечному сечению спирали. Спиральный отвод в этом случае работает как конфузор. Коэффициент реакции спирального отвода есть отношение среднего статического напора в горловине спирали к среднему статическому напору на выходе из колеса. Отсутствие симметрии в распределении давлений в спиральном отводе на режимах, отличных от оптимального, приводит к возникновению радиальной силы, действующей на лопастные колеса и вал насоса. В зависимости от режима величина радиальной силы может быть выражена формулой: 𝑅 = 𝑘 𝑅 𝜌𝑔𝐻 Т 𝐷 2 𝑏 2 [1 − ( 𝑄 𝑄 опт ) 2 ] , Н (53) где k R – коэффициент, который принимается для приближенных расчетов 0,36. Оценим максимальную силу. Очевидно, что при Q=Q опт , R=0. И наоборот при Q=0, R=R max 𝑅 𝑚𝑎𝑥 = 369,091 Н. (54) График изменения радиальной силы в зависимости от подачи изображен на рисунке 2. 28 Рисунок 2 – Зависимость радиальной силы от подачи. -200 -100 0 100 200 300 400 0 20 40 60 80 100 120 140 Р ад и ал ьн ая си ла, H Подача , м3/ч 29 5 ПРОФИЛИРОВАНИЕ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ 5.1 Проектирование меридионального сечения рабочего колеса Исходные данные для построения меридионального сечения приведены в таблице 2. Таблица 2 – Исходные данные для построения меридионального сечения № п/п Наименование Значение 1 Диаметр входной воронки D 0 , мм 0,103 2 Наружный диаметр D 2 , мм 0,199 3 Ширина меридианного сечения на входе b 1 , мм 0,022 4 Ширина меридианного сечения на выходе b 2 , мм 0,0087 5 Диаметр расположения центра окружности D 1 , мм 0,083 Профилирование канала в меридионального сечении ведется таким образом, чтобы получить плавное изменение меридианной составляющей скорости от входа в рабочее колесо к выходу. Необходимо учитывать следующие рекомендации: - контуры меридионального сечения должны иметь плавные очертания. Каждая из стенок образуется двумя отрезками прямых, соединенных одним или несколькими радиусами (применять лекальные кривые не допускается, т.к. это усложняет изготовление рабочего колеса); - наклон стенок на выходе 1 = 2 = 0 5 . Возможны случаи, когда 1 2 , тогда обычно 1 5 , а 2 = 0; - при выборе очертаний стенок следует избегать как чрезмерного увеличения осевого размера рабочего колеса, так и излишнего его сокращения. В первом случае получится нерациональное увеличение длины, а следовательно, и массы рабочего колеса, во втором- из-за малого радиуса возникает опасность отрыва потока от передней стенки. Обычно принимают l 1 = 0 или l 1 = 0.05 D 0. Меридиональное сечение приведени в Приложении А. 30 5.2 Профилирование лопасти рабочего колеса Исходные данные для профилирования лопасти приведены в таблице 3. Таблица 3 – Исходные данные для профилирования лопасти № п/п Наименование Значение 1 Наружный диаметр D 2 , м 0,199 2 Диаметр расположения центра окружности D 1 , мм 0,083 3 Угол наклона лопасти на входе рабочего колеса 1 , град 28,33 4 Угол наклона лопасти на выходе рабочего колеса 2 , град 30 5 Толщины лопастей на входе S 1 , мм 3 6 Толщины лопастей на выходе S 2 , мм 4,5 7 Количество лопастей z 7 Профилирование лопасти должно быть осуществлено так, чтобы создать возможно более благоприятные условия для безотрывного обтекания лопасти потоком, что соответствует минимуму гидравлических потерь. Профиль лопасти приведен в Приложении Б. 31 5.3 Профилирование спирального отвода Определим радиусы дуг окружностей, образующих спираль. Исходной окружностью для образования спирали улитки является окружность радиуса, м: 𝑅 30 = 𝐷 3 2 =0,1089. (55) Радиусы раскрытия улитки находим по формулам, м: 𝑅 1 = 𝑅 30 + а 2 =0,1153, (56) 𝑅 2 = 𝑅 1 + а =0,1281, (57) 𝑅 3 = 𝑅 2 + а =0,141, (58) 𝑅 4 = 𝑅 3 + а =0,1538. (59) Построение улитки выполняется в соответствии с рисунком 3. Рисунок 3 – Профилирование улитки насоса по методу конструкторского квадрата 32 Основное торможение скорости происходит в коническом диффузоре. На входе конический диффузор имеет преимущественно прямоугольную (желательно квадратную) форму. Выходное сечение – круг, т. к. конический диффузор непосредственно соединяется с трубопроводом. Диаметр выхода из конического диффузора D вых обычно выбирается по ГОСТу. Степень уширения конического диффузора характеризуется эквивалентным углом раскрытия вых . Величина угла выбирается в зависимости от формы сечения на входе. При прямоугольном сечении, когда расширение идет в одной плоскости вых ≈ 10 ° 12 ° (в редких случаях допускается вых = 14 ° ), при расширении в двух плоскостях – ≈ 6 ° 8 ° Профиль спирального отвода приведен в Приложении В. 33 6 ПОДБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Основными параметрами для выбора электродвигателя служат мощность насоса и частота вращения ротора. Из полученных расчётов и начальных данных имеем мощность N = 18,41 кВт и частоту вращения n = 2950 об/мин. В зависимости от номинальной мощности выбирается коэффициент запаса мощность электродвигателя центробежного насоса согласно таблице 4. Таблица 4. Мощность электродвигателя, кВт ≤ 20 20…60 60…300 300 Коэффициент запаса, k 1,25 1,2 1,15 1,1 Таким образом, мощность электродвигателя принимается 𝑁 дв = 𝑁 ∙ 𝑘 = 23,015 кВт. Из каталогов и справочной информации выбираем электродвигатель АИР180М2. Рисунок 4 – Схема электродвигателя АИР180М2 Краткие характеристики АИР225М2 приведены в таблице 5. 34 Мощность 30 кВт Частота вращения 2950 об/мин Ток статора при 380В 55,4 А КПД 91,4 % cos φ 0,9 Iп/Iн 7,5 Мп/Мн 2 Мmax/Мн 2,3 Крутящий момент 97,12 Н·м Момент инерции 0,0700 кг·м 2 Климатическое исполнение У1, У2, У3 IP, степень защиты 55 Таблица 5 – Характеристики электродвигателя АИР225М2 Климатическое исполнение и категория размещения: У3: первая буква У - умеренный климат, вторая цифра 3 - эксплуатация в помещении. У1: У - то же, 1 - допускает эксплуатацию на отрытом воздухе (2 - на открытом воздухе под навесом), т.е. категория 1 перекрывает 2 и 3 . IP (International Protection) - степень защиты от пыли и воды. Не имеет отношения к степени взрывозащиты. Чем больше цифра, тем больше защита. Первая цифра - от 0 до 6. (от проникновения посторонних предметов) Вторая цифра - от 0 до 9. (от проникновения воды) 35 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе курсового проекта был произведен расчет и проектирование центробежного насоса при заданных значениях подачи, напора и частоты вращения вала. По результатам гидравлического расчета был получен профиль проточной части насоса: рабочего колеса и спирального отвода. Таким образом, был получен опыт работы с технической литературой, применялись знания, полученные в результате изучения курса «Насосное оборудование нефтяной отрасли». Навыки и знания, приобретенные при работе над курсовым проектом позволят более глубоко взглянуть на проблемы расчета центробежных насосов. 36 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. М.: Машиностроение, 1966. – 364 с. 2. Михайлов А. К., Малюшенко В. В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1977. – 288 с. 3. Ржебаева Н.К., Ржебаев Э.Е. Расчет и конструирование центробежных насосов: Учебное пособие. – Сумы: Изд-во СумГУ, 2009. – 220с. 4. Боровский Б.И. Энергетические параметры и характеристики высокооборотных лопастных насосов / Боровский Б.И. – М.: Машиностроение, 1989. – 184 с. 5. Козлов С.Н., Петров А.И. Расчет и проектирование отводящих устройств центробежных насосов: Учебное пособие. – Ч.1. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 40 с. 6. https://www.neftegaz-expo.ru/ru/articles/nasosy-neftegazovoj-otrasli/ 7. https://cable.ru/engines/marka-air200l8_6.php#tab_description |