Насосы и станции. Л 8. Объемные насосы и их классификация. Объемные насосы и их классификация
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
Объемные насосы и их классификация Использование объемных гидромашин в нефтяной промышленности при выполнении самых различных технологических процессов обусловлено их конструктивно-эксплутационными особенностями. Так, при проводке и бурении нефтяных и газовых скважин применяют поршневые и плунжерные насосы, поскольку они способны развивать высокое давление и более устойчивы к перекачиванию абразивных жидкостей. Плунжерные насосы устанавливают на специализированных передвижных агрегатах для выполнения технологических процессов гидроразрыва пласта, кислотной обработки призабойной зоны скважины, промывки скважин и др. Рациональная область применения винтовых насосов по полям подач и давлений лежит в пределах соответственно 10 л/с и 2,5 МПа. В этой области данный тип насосов, как правило, экономичнее центробежных и вихревых и в тоже время значительно дешевле проще ВПН, при этом стандартом не предусмотрено ограничение по роду перекачиваемой жидкости. Объемные насосы делятся на возвратно-поступательные, роторные и крыльчатые. В возвратно-поступательных насосах вытеснители совершают только прямолинейное движение. По виду вытеснителей они бывают поршневые, плунжерные и диафрагменные. В роторных насосах вытеснители совершают либо вращательное движение, либо одновременно вращательное и возвратно-поступательное движение. В свою очередь роторные насосы, вытеснители которых совершают вращательное движение, бывают шестеренные и винтовые, а насосы с вращательным и возвратно-поступательным движением - пластинчатые (шиберные), радиально- и аксиально-поршневые. Крыльчатые насосы — это ручные насосы, играющие вспомогательную роль. Конструктивные особенности возвратно-поступательных насосов (такие как наличие клапанов) определяют их свойства: неравномерность подачи, ограниченная скорость движения вытеснителя, а также необходимость преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение. Вследствие того, что в роторных насосах происходит перемещение рабочих камер с жидкостью из полости всасывания в полость нагнетания, эти насосы отличаются от насосов возвратно-поступательных отсутствием всасывающих и нагнетательных клапанов. Эти и некоторые другие конструктивные особенности роторных насосов обусловливают их более высокую быстроходность, непосредственную связь с двигателем, большую равномерность подачи, обратимость, т.е. способность работать в качестве гидромоторов при подводе к ним жидкости под давлением. Однако роторные насосы способны работать лишь на неагрессивных жидкостях, обладающих смазывающими свойствами, и более вязких, чем вода. Поршневые насосы. Принцип действия и классификация Поршневой насос представляет собой объемную машину с возвратно-поступательным движением поршня в цилиндре. На рисунке 1 представлена схема гидравлической части однопоршневого насоса одностороннего действия. Принцип действия такого насоса заключается в следующем. При ходе поршня 1 вправо в рабочей камере цилиндра 2 освобождается объем и давление снижается (р<рВ), открывается всасывающий клапан 3. По мере движения поршня цилиндр заполняется жидкостью - этот процесс называется процессом всасывания.  Рисунок 1 Когда поршень дойдет до конца хода и остановится, чтобы изменить направление движения справа налево (p=рB), тогда всасывающий клапан закрывается. Как только поршень начинает двигаться влево, давление в цилиндре возрастает (р>рВ) и открывается нагнетательный клапан 4. Жидкость поршнем вытесняется из цилиндра - происходит процесс нагнетания до конца хода поршня влево. Из принципа действия поршневого насоса выявляются особенности его конструкции: а)рабочая камера (цилиндр) изолирована от подводящего и напорного трубопроводов клапанами;б)подача насоса зависит от геометрических размеров насоса (длины хода и площади поршня) и от числа двойных ходов поршня;в)пределы преодолеваемого поршнем давления (напора) зависят от установленной мощности и прочности деталей насоса, т.е. насос может развивать любой напор;г)поршень движется с переменной скоростью (от нуля в начале хода до максимальной в середине хода и снижающейся до нуля в конце хода). В зависимости от условий работы и свойств перекачиваемых жидкостей насосы имеют весьма разнообразные конструкции. Ниже изложены некоторые принципы классификации поршневых насосов. 1 По типу приводной части различают насосы приводные, прямодействующие, ручные. Приводные насосы - это насосы, у которых в приводной части имеется кривошипно-шатунный механизм для преобразования вращательного движения приводного вала в возвратно-поступательное движение поршня. На рисунке 2 приведена схема приводного насоса, у которого приводная часть состоит из крейцкопфа 1, шатуна 2 и кривошипного вала 3. Кроме этих частей, для снижения числа ходов поршня в приводной части обычно имеется редуктор. Прямодействующие насосы — это насосы, поршень которых общим штоком связан с поршнем двигателя.  Рисунок 2 На рисунке 3 представлена схема прямодействующего насоса, приводная часть которого представляет собой паровую машину, состоящую из парового цилиндра 1, поршня 2 со штоком 3, непосредственно соединенным со штоком гидравлической части насоса, и золотниковой коробки распределения пара 4. В качестве двигателя прямодействующего насоса могут быть применены также гидравлические силовые цилиндры и пневмоцилиндры.  Рисунок 3 Ручные насосы — это насосы, движение поршня которых осуществляется с помощью рукоятки вручную. 2 По расположению осей цилиндров насосы бывают горизонтальные, вертикальные и с осями, расположенными наклонно по отношению к основанию. 3 По числу цилиндров насосы выполняются одно-, двух-, трех- и многоцилиндровыми. 4 По конструкции поршня насосы бывают: а) собственно поршневые, т.е. поршень представляет собой диск с уплотнениями, которые плотно прилегают к цилиндру (рисунок 5.4), такие поршни применяются в насосах двухстороннего действия, имеющих большие подачи; б) плунжерные - плунжер имеет длину, значительно превышающую диаметр, применяются при значительных давлениях и малых подачах;  Рисунок 4 Рисунок 5 в) с проходным поршнем, имеющим в теле нагнетательный клапан (рисунок 6), такие поршни находят широкое применение в глубинных насосах для добычи нефти, в которых диаметр цилиндра ограничен размерами скважины;
г) диафрагменные насосы, в которых изменением формы эластичной пластины достигается изменение объема рабочей камеры (рисунок 7). Насосы с диафрагмой имеют малую длину хода и создают малые подачи. 5 По числу тактов всасывания и нагнетания за один двойной ход различают насосы: а) одностороннего действия, когда один ход поршня сопровождается всасыванием жидкости, а другой - нагнетанием (рисунок 8);  Рисунок 8 Рисунок 9 Рисунок 10 б) двухстороннего действия, когда каждый ход поршня сопровождается процессами всасывания и нагнетания (рисунок 9); в) дифференциального действия (рисунок 10), в котором совершается один процесс всасывания при ходе поршня вправо и два процесса нагнетания; при ходе вправо жидкость нагнетается из камеры Б, а при ходе влево из камеры А часть жидкости протекает в камеру Б, а другая - в напорный трубопровод, улучшая равномерность ее поступления. Идеальная и действительная подача поршневых насосов Предположим, что поршень движется с некоторой средней скоростью. Тогда объем жидкости, вытесняемый поршнем в единицу времени, будет представлять собой идеальную подачу насоса (среднюю подачу). Обозначим: площадь поршня - F, площадь сечения штока - f, длину хода поршня S,число двойных ходов поршня в единицу времени п. Представим характерные конструктивные схемы гидравлической части однопоршневых насосов с их идеальными подачами в таблице 6.1 Из таблицы, 5.1 следует, что идеальная подача однопоршневых насосов равна  ,где V - объем рабочей камеры. Для насоса одностороннего действия рабочая камера имеет объем V=FS, а для насоса двухстороннего действия  .Для многоцилиндрового насоса (число цилиндров - z), идеальная подача составит  .Действительная подача насоса всегда меньше идеальной, подсчитанной без учета утечек жидкости через неплотности в цилиндре, несвоевременной работы клапанов, попадания воздуха вместе с перекачиваемой жидкостью и некоторыми другими причинами. Таблица 5.1
Чтобы учесть все эти факторы, вводится коэффициент подачи (иногда его называют объемным):  ,  где  - коэффициент утечек,  - коэффициент наполнения. Величина коэффициента подачи зависит: а) от запаздывания открытия и закрытия нагнетательных и всасывающих клапанов; б) неплотности сальников, уплотняющих штоки, уплотнений поршней, клапанов; в) несоответствия числа пар ходов насоса расчетным и монтажным данным (размерам клапанов, высоте всасывания и др.); г) выделения паров при несоответствии давления всасывания и физических свойств жидкости, что ведет к уменьшению объема всасываемой жидкости. Если первые три пункта ведут к снижению коэффициента утечек, то последний сильно влияет на коэффициент наполнения. Коэффициенты подачи обычно находятся в пределах  (малые насосы – 0,85, большие - 0,90,98), т.е. зависят от размеров гидравлической части насосов.Закон движения поршня приводного насоса Для представления о том, как меняется подача насоса по длине хода поршня, надо знать закономерности изменения скорости движения поршня. Рассмотрим схему поршневого насоса с кривошипно-шатунным механизмом, представленную на рисунке 11.  Рисунок 11 Вал кривошипа длиной 2 приводится во вращение от двигателя, и точка а соединения кривошипа с шатуном длиной l вращается по окружности радиуса r с постоянной угловой скоростью .  – положение крейцкопфа в крайнем левом положении, – текущее положение крейцкопфа.При повороте вала на угол  крейцкопф, а вместе с ним и поршень со штоком, проходит путь  .Из рисунка 6.11 очевидно, что путь х равен  .Большинство насосов имеют длину шатуна, значительно превышающую радиус кривошипа  . Так, например, буровые насосы, насосы для добычи нефти имеют , следовательно  , поэтому с небольшой степенью погрешности принимаем .Путь, проходимый поршнем, будет равен  . Тогда его скорость составит ,а ускорение  .На рисунках 12 и 13 представлены графики изменения скорости и ускорения.  Рисунок 12 Рисунок 13 Из графиков видно, что скорость и ускорение движения поршня - величины переменные, скорость изменяется по синусоиде; в точках перемены направления движения поршня (мертвые точки) скорость равна нулю, а в середине хода - максимальная. Ускорение изменяется по косинусоиде, причем в мертвых точках оно достигает максимума. Разрыв косинусоид ускорения указывает на то, что в начале хода от 0 до  имеет место разгон поршня, а в конце хода от до замедление движения поршня. То же самое повторяется и при обратном ходе поршня.Неравномерность подачи поршневых насосовПо условию неразрывности потока несжимаемой жидкости можно записать, что мгновенная подача насоса равна  ,где F и V - площадь и скорость поршня, а индексами «в» и «н» обозначены соответствующие величины в подводящем и напорном трубопроводах. Из уравнения неразрывности и рисунка 6.13 следует, что мгновенная подача насоса представляет собой синусоиду. На рисунке 14 представлены схема и график подачи однопоршневого насоса одностороннего действия, из которого видно, что за ход нагнетания мгновенная подача изменяется от нуля (при  ) до (при ) и снова падает до нуля (при ) Рисунок 14 Неравномерность подачи насоса можно оценить сравнением максимальной подачи со средней - это отношение называется коэффициентом неравномерности подачи:  ,где средняя подача - это высота прямоугольника, равновеликого площади синусоиды мгновенной подачи за один оборот кривошипа  .Площадь синусоиды соответствует объему, описываемому поршнем за один ход:  .Так как   а , то .Следовательно:  ,т.е. QCP соответствует идеальной подаче со средней скоростью движения поршня. Коэффициент неравномерности подачи однопоршневого насоса одностороннего действия равен  ,т.е. максимальная мгновенная подача в 3,14 раза больше средней подачи. Рассмотрим график подачи двухпоршневого насоса одностороннего действия (рисунок 15 а). В таком насосе для обеспечения более равномерной подачи необходимо сдвинуть поршни на ход, т.е. кривошипы должны иметь сдвиг на 180. Тогда степень неравномерности подачи составит  .Для однопоршневого насоса двухстороннего действия (рисунок 5.15б) степень неравномерности подачи  , так как средняя подача составляет меньше, чем предыдущего. Рисунок 15 a График подачи трехпоршневого насоса изображается в виде трех синусоид, сдвинутых относительно друг друга на 120 (рисунок 16).  Рисунок 15 б Для получения суммарной мгновенной подачи необходимо сложить ординаты синусоид на участках, где они накладываются друг на друга. Степень неравномерности подачи равна (при  или при ) .График подачи насоса, имеющего четыре рабочих камеры строится из условия, что кривошипы двух цилиндров расположены под  (рисунок 17).После получения суммарной мгновенной подачи (верхняя линия на графике рисунка 17) определяем степень неравномерности подачи (максимум мгновенной подачи при  ). . Рисунок 16  Рисунок 17 Сравнение степени неравномерности подачи поршневых насосов с тремя и четырьмя камерами показывает преимущества нечетного числа камер. Так повторяется и при дальнейшем увеличении числа камер. Дальнейшее увеличение числа рабочих камер усложняет конструкцию и мало влияет на уменьшение степени неравномерности подачи. Поэтому больше пяти камер в стационарных насосах не делают. | ||||||||||||||||||||||||||||
