Лекция 1. Общие понятия и основные определения. Виды гидравлических и компрессорных машин

• Название: Общие понятия и основные определения. Виды гидравлических и компрессорных машин
• Дата: 12.12.2018
• Размер: 141.34 Kb.
• Имя файла: Лекция 1.docx
• Тип: Лекция; #59992

Лекция №1

Тема: Общие понятия и основные определения. Виды гидравлических и компрессорных машин

Цель лекции: Виды гидравлических и компрессорных машин. Виды насосов

Ключевые слова: проточные машины-орудия, проточные машины-двигатели, насос.

Предметом настоящего курса являются гидравлически е машины (насосы, гидродвигатели) и компрессоры, широко используемые в нефтегазодобывающей промышленности. Они относятся к обширному классу проточных машин, играющих исключительно важную роль во всех областях производства.

Машиной называется комплекс механизмов, предназначенный для выполнения полезной работы. Вследствие вредных сопротивлений в самой машине она всегда меньше затраченной (потребляемой) работы, совершаемой движущими силами.

Проточные машины отличаются от прочих тем, что процесс передачи работы у них целиком связан с потоком среды, протекающей через машину. В частности, если текучей средой (флюидом) является капельная жидкость, то проточные машины называются гидравлическими, если же текучая среда газообразная, то говорят о газовых или пневматических проточных машинах. Общее определение машин полностью относится к проточным и используется для их классификации по двум основным группам в зависимости от направления передачи работы:

проточные машины-орудия, которые получают работу от приводного вала или штока, а отдают ее потоку текучей среды. К этой группе относятся насосы, служащие для создания потока жидкой среды, и компрессорные машины (то же, но для газообразных сред);

проточные м а ш и н ы -двигатели, которые воспринимают работу от потока жидкости или газа, а отдают ее через выводной вал. К ним относятся турбины и другие гидро- и пневмодвигатели.

Существуют агрегаты, составленные из машин обеих названных групп. В подобных системах текучая среда служит передаточным звеном, по отношению к которому проточная машина-орудие — отдающий, а машина-двигатель — приемный орган агрегата. Примеры: гидродинамическая передача, используемая в силовом приводе буровой установки; бесштанговая насосная установка, составленная из наземного силового насоса и погружного поршневого двигателя с насосом; система, состоящая из бурового насоса и забойного гидродвигателя; насосный гидропривод некоторых механизмов буровых и нефтепромысловых установок.

В зависимости от принципа действия все проточные машины делятся на два класса — динамические и объемные.В динамической машине передача работы от рабочего органа к текучей среде (или наоборот) происходит в камере, п о с т о я н н о сообщающейся со входом и выходом машины. Примеры: центробежный или вихревой насос, турбина турбобура, центробежный или осевой компрессор. Признак объемной проточной машины — периодическое изменение объема рабочей камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом машины. Примеры: поршневой насос или компрессор, роторный насос, гидромотор, винтовой или пластинчатый компрессор.
1.1Баланс работ в проточной машине

Определение основных технических показателей любой проточной машины вытекает из уравнения, связывающего затраченную и полезную работу. Важнейшая составляющая баланса работ в проточной машине— работа обратимого- (без потерь) перемещения текучей среды под действием разности давлений. Применительно к динамической машине с непрерывным потоком в ее каналах указанную работу можно представить следующим образом.

В канале произвольной конфигурации (рис.1 а) между входным (индекс «н» — начало) и выходным (индекс «к» — конец) сечениями перемещение флюида из области с давлением р_Н в область с давлением р_К происходит так, что все содержимое канала смещается. При этом через каждое сечение канала за определенное время t протекает одно и то же количество среды, имеющей некоторую массу т. Например, частицы среды из сечения 1 (площадь f) смещаются в среднем к сечению 1' так, что произведение V = f s представляет собой объем рассматриваемой порции флюида. Поскольку давление по длине канала изменяется, то в соответствии с ним изменяется также среднее смещение частиц по некоторой зависимости V = f (p) показанной на рис.1б.


Рисунок 1. К выводу уравнения работ в проточной машине
Поперечными сечениями разбиваем весь поток на элементы. Элементу, заключенному между сечениями 1 и 2, соответствует элементарный перепад давления dp. При смещении элемента в положение 1' — 2' совершается элементарная работа изменения давления:

=- f s dp = -V dp. (1)

Если перепад давления отрицательный, то работа считается положительной, и наоборот. Символ показывает, что выражение элементарной работы не является полным дифференциалом. На рис. 1.1б работа характеризуется элементарной площадкой, тогда как вся площадь фигуры соответствует интегральной работе для всего потока внутри машины

, (2)

выполняемой при перемещении через все сечения канала одного и того же количества флюида массой m.

В машине объемного действия поток прерывистый. Для этого случая Белоконь Н.И. разработал модель, в которой работа изменения давления расчленена по трем стадиям (рис. 2.1е): наполнения L_H, изменения объема в ограниченном пространстве рабочей камеры L_H-_K и выталкивания L_K:

. (3)

Формулу (3) можно получить из (2), применив подстановку V dp = d (pV) — р dV. Работа W_Н-К зависит от характера изменения объема V = f (р).

Д л я н е с ж и м а е м о й ж и д к о с т и V — величина постоянная. Поэтому в результате интегрирования по (2) получим

W_H-K = V (p_H –p_K) (4)

Поскольку W_H-_K в этом случае зависит только от начального и конечного давлений, в гидравлике эта величина часто рассматривается как изменение «энергии давления» жидкости.

Д л я р е а л ь н о й к а п е л ь н о й ж и д к о с т и изменение объема следует закону

, (5)

где Е_Ж — модуль упругости жидкости.

Пусть V_o — объем жидкости в условиях его измерения при давлении р₀. Из (5) следует, что

. (6)

В результате интегрирования по (2) получим:

(7)

Выполнив ряд преобразований можно получить формулу

WH-K = V0 (pH –pK) , (8)

где - коэффициент сжимаемости.

При умеренных давлениях сжимаемость воды (Е_ж = 2,0 — 2,5 ГПа) практически неощутима. Например, с повышением давления в насосе на 50 МПа при р_н = р₀ поправка 0,99. Если же Е_ж = 1,0 ГПа (для нефти 0,07 -1,4 ГПа в зависимости от количества растворенного газа), то при таком же перепаде давления ошибка в расчете по формуле (1.4) может составить 2,5 % и ощутимо исказить КПД насоса во время его испытания.

П р и и з м е н е н и и с о с т о я н и я г а з а п о п о л и т р о п е с постоянным показателем (pVⁿ = idem) из формулы (2) получим:

(9)

Можно составить баланс работы, используя теорему механики о равенстве изменения кинетической энергии системы и работы всех действующих сил (внешних и внутренних). Под системой подразумеваем установившийся поток жидкости или газа в проточной машине, ограниченный входным и выходным сечениями (рис.1г):

(10)

Левая часть уравнения (10) - изменение кинетической энергии поступательного движения порции флюида массой т от положениям» до положения «н». Для машины периодического действия это изменение рассматривается за один период времени. В правой части равенства, кроме работы изменения давления, представлены:

m g (z_K — z_H) — работа силы тяжести; L_H-_K — работа, переданная потоком флюида рабочим органам машины, например, рабочим колесам, поршням и др.; в насосах и компрессорах эта работа отрицательная, т. е. она передается от рабочих органов машины текучей среде; — работа, затраченная на преодоление вредных сопротивлений в машине и превращаемая в теплоту.

Для упрощения записи здесь и в дальнейшем принято, что коэффициент кинетической энергии Кориолиса 1. В случае ламинарного потока выражение (10) легко корректируется с учетом истинного значения коэффициента . Уравнение (10) — наиболее общее. Оно будет использовано для определения понятия полезной работы в проточных машинах различных групп.
1.2 Основные технические показатели гидромашин

О с н о в н ы м и п о к а з а т е л я м и г и д р о м а ш и н называются такие, с помощью которых получают внешнюю характеристику, показывающую технологические возможности и энергетические потребности гидромашин.

О б ъ е м н а я п о д а ч а - объем жидкости, подаваемый в единицу времени

. (11)

Эта величина определяется объемным способом или с помощью расходомера.

М а с с о в а я п о д а ч а – вычисляется по формуле

, (12)

где - плотность жидкости в условиях измерения подачи.

Весовая подача

, (13)

где - удельный (объемный) вес жидкости.

Из уравнения (1.10) выражается полезная работа насоса:

(14)

Д а в л е н и е н а с о с а определяется по формуле

. (15)

Отношение работы насоса к массе подаваемой жидкости называется

у д е л ь н о й п о л е з н о й р а б о т о й н а с о с а

. (16)

Отношение работы насоса к весу подаваемой жидкости называется

н а п о р о м н а с о с а

. (17)

В соответствии с формулами (15) – (17) между удельной полезной работой, давлением и напорам существует взаимосвязь

, (18)

позволяющая определять одну из перечисленных величин, если известны две другие.

П о л е з н а я м о щ н о с т ь н а с о с а, равная полезной работе в единицу времени

(19)

может быть определена с помощью любой из трех формул

. (20)

М о щ н о с т ь н а с о с а N (потребляемая насосом) измеряется на ведущем звене насоса (на валу привода, на приводном штоке).

К П Д н а с о с а определяется как отношение полезной мощности к мощности насоса

. (21)

В характеристике насоса указывают также вакуумметрическую высоту всасывания Н_В, которая численно равна вакууму во входном патрубке, выраженному в метрах столба перекачиваемой жидкости. Д о п у с к а е м а я в а к у у м м е т р и ч е с к а я в ы с о т а в с а с ы в а н и я - такая, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных показателей
1.3 Гидравлические двигатели

Основными техническими показателями гидравлических двигателей являются следующие 8 показателей:

к р у т я щ и й м о м е н т н а в а л у д в и г а т е л я М;

ч а с т о т а в р а щ е н и я в а л а n (об /мин) или у г л о в ая с к о р о с т ь ;

м о щ н о с т ь д в и г а т е л я ;

р а б от а, п о т р е б л я е м а я г и д р о д в и г а т е л е м, определяемая из формулы (10)

; (21)

п е р е п а д п о л н о г о д а в л е н и я (при

Δ; (22)

г и д р а в л и ч е с к а я м о щ н о с т ь д в и г а т е л я

, (23)

где Q - п р о п у с к н а я с п о с о б н о с т ь г и д р о д в и г а т е л я (объемный расход жидкости через двигатель)

К П Д г и д р о д в и г а т е л я

. (24)

Возможны следующие постановки расчета основных показателей:

1) в действующей машине при данном режиме нагружения с помощью приборов измеряют сомножители полезной и потребляемой мощностей, вычисляют К П Д;

2) при проектировании технологического режима определяют сомножители полезной мощности (для насоса — Q и Р, для гидродвигателя — М и n), а затем с помощью известных характеристик машин — ч и с л о

п а р а л л е л ь н о или п о с л е д о в а т е л ь н о в к л ю ч е н н ы х м а ш и н, К П Д и п о т р е б л я е м у ю м о щ н о с т ь;

3) исходя из лимита потребляемой мощности и учитывая КПД машины, о п р е д е л я ю т в о з м о ж н у ю п о л е з н у ю м о щ н от ь и е е с о м н о ж и т е л и.