Методические указания для студентовзаочников составлены согласно программе дисциплины "Гидромашины и компрессоры" для высших учебных заведений по специальности 17. 02. 00
 Скачать 406.74 Kb.
|
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%. |