Технологический расчет магистрального насоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Везде, где стоит задача создать напор жидкости или переместить ее, применяются насосы. Эти гидравлические машины работают на принципе создания разности давлений между входным и выходным патрубками. По характеру сил, создающих эту разность, насосы принято делить на объемные и динамические.

Лопастные насосы являются типичным и наиболее широко применяемым представителем класса динамических насосов: в них жидкость перекачивается под действием сил инерции.

Лопастные насосы подразделяют:

По форме рабочего колеса - на центробежные, диагональные и осевые.

По расположению вала насоса - на горизонтальные и наклонные.

По числу рабочих колес - на одноступенчатые и многоступенчатые.

По напору - на низконапорные (Н меньше 20м.), средненапорные (Н=20-60 м.) и высоконапорные (Н более 60м.)

По роду перекачиваемой жидкости и назначению.

1. Насосы центробежные магистральные

В нефтяной промышленности наибольшее распространение получили насосы центробежные

Центробежные насосы, предназначенные для подачи в системах магистральных трубопроводов нефти и нефтепродуктов (в том числе широкой фракции легких углеводородов) с температурой от минус 5 до плюс 80 °С, кинематической вязкостью не более 3-10-4 м2/с, в процентах по объему, не более:

- серы в несвободном состоянии-3,5;

- парафина-7;

- механических примесей линейным размером не более 0,5 мм-0,06.

Пример условного обозначения нефтяного магистрального насоса с подачей 2,778 м3/с (10000 м3/ч) и напором 210 м

НМ 10000-210

Насосы типа НМ с подачами до 0,1 м3/с (360 м3 /ч) и насос типоразмера НМ 1250-400 должны допускать последовательную работу двух, остальные - трех одновременно работающих насосов. Насосы с напорами более 550 м последовательной работы не допускают.

Основные параметры насосов для номинальных режимов должны соответствовать указанным в табл. 1.

Таблица 1

Обозначение типоразмера	Подача, Q, м3/с (м3/ч)	Напор, Н	Предельное давление МПа (кгс/см2)	Допускаемый кавитационный запас ДhД, м, не более	КПД з, %, не менее	Частота вращения (синхронная), п с-1 (об/мин)
		м	Пред. откл., %
НМ 125-550	0,035 (125)	550	+5 -3	9,81 (100)	4,0	72	50 (3000)
НМ 180-500	0,050 (180)	500			4,0	74
НМ 250-475	0,069 (250)	475			4,0	77
НМ 360-460	0,100 (360)	460			4,5	80
НМ 500-300	0,139 (500)	300			4,5	80
НМ 710-280	0,197 (710)	280			6,0	80
НМ 1250-260***	0,347 (1250)	260		7,35 (75)	18	81
НМ 2500-230	0,694 (2500)	230			32	86
НМ 3600-230	1,000 (3600)	230			35	87
НМ 7000-210	1,944 (7000)	210			52	89
НМ 10000-210	2,778 (10000)	210			65	89

Рабочие режимы насосов должны соответствовать полям Q-Н, приведенным на чертеже.

Поля Q-H

Допускается изменение подачи и напора насосов в пределах полей Q-Н обточкой рабочих колес по наружному диаметру. Вариантов обточек должно быть не более трех, при этом допускается снижение значений КПД от указанных в табл. 1 не более чем на 3%.

В насосах типа НМ с подачами 0,347 м3/с (1250 м3/ч) и более допускается применять сменные роторы с параметрами, указанными в табл. 2. Допускается обточка рабочих колес до 10 % по наружному диаметру, вариантов обточек должно быть не более трех, при этом снижение КПД от указанных в табл. 2-не более 3 %.

Таблица 2

Обозначение типоразмера насоса	Подача насосов со сменными роторами,	Напор Н, м	Допускаемый кавитационный запас ДhД, м, не более	КПД з, %, не менее
	%, от Qном	м3/с (м3/ч)
НМ 1250-260	70	0,250 (&00)	255	16	79
	125	0,435 (1565)	260	26	78
НМ 2500-230	50	0,347 (1250)	220	25	81
	70	0,500 (1800)	225	27	83
	125	0,875 (3150)	220	38	83
НМ 3600-230	50	0,500 (1800)	220	33	81
	70	0,694 (2500)	225	35	84
	125	1,250 (4500)	220	45	83
НМ 7000-210	50	0,972 (3500)	200	42	81
	70	1,389 (5000)	210	45	85
	125	2,430 (8750)	210	60	85
НМ 10000-210	50	1,389 (5000)	205	45	80
	70	1,944 (7000)	210	60	84
	125	3,472 (125,00)	210	97	87

Рабочим органом, с помощью которого центробежные насосы воздействуют на жидкость, является рабочее колесо с изогнутыми лопастями. Вращаясь, колесо развивает центробежную силу, выбрасывающую жидкость по направлению от центра к периферии. При этом такие насосы обеспечивают постоянное соединение входа и выхода с пространством рабочей камеры.

В центробежных насосах (рисунок 1) жидкость движется в осевом направлении от всасывающего патрубка к центральной части рабочего колеса. В рабочем колесе поток жидкости поворачивается на 900 и симметрично относительно оси вращения растекается по каналам вращающегося колеса 1, образованным стенками переднего и заднего дисков 10 и рабочими лопастями 2. Рабочие лопасти передают жидкости энергию привода насоса. Статическое давление в ней и ее скорость возрастают. Из рабочего колеса 1 поток жидкости выходит под некоторым углом к касательной его наружного диаметра. Общее направление движения потока при этом совпадает с направлением вращения рабочего колеса. Далее по спиральному отводу 3 жидкость поступает в конический диффузор 4, где ее кинетическая энергия преобразуется в потенциальную.

Рисунок 1 - Принцип работы центробежного насоса

На рисунке 2 представлен продольный разрез одноступенчатого насоса типа «НМ».

Рисунок 2 Ї Продольный разрез одноступенчатого насоса типа «НМ» с рабочим колесом двустороннего входа жидкости.

Горизонтальный разъем корпуса между нижней и верхней его частями уплотнен прокладкой. Ротор насоса состоит из вала 2 и насаженного на шпонку рабочего колеса 5, для разделения области всасывания и нагнетания применяются щелевые уплотнения 4 и 13. Для предотвращения утечек в месте выхода вала из корпуса насоса применяются торцевые уплотнения 9.

Двусторонний подвод жидкости к рабочему колесу и двухзавитковый спиральный отвод обеспечивает уравновешивание гидравлических осевых и радиальных сил, действующих на ротор.

Опорами ротора служат подшипники скольжения 10 с жидкой принудительной смазкой (под давлением) от маслоустановки агрегатов. Остаточное осевое усилие ротора воспринимают два упорных подшипника 1. Рабочее колесо литое, одностороннего входа. Направляющий аппарат - литой.

Насос и электродвигатель, соединенные зубчатой или пластинчатой муфтой, устанавливают на отдельных фундаментных рамах.

Направление вращения вала - по часовой стрелке, если смотреть со стороны электродвигателя.

На рисунке 3 представлен ротор магистрального насоса НМ

Рисунок 3 Ї Состав ротора магистрального насоса НМ

1- вал; 2 - рабочее колесо; 3- кольцо уплотнительное; 4 - втулка поджимная; 5 - втулка уплотнительная; 6 - разделительная втулка или втулка-импеллер; 7 - торцовое уплотнение; 8 - фланец; 9 - узел радиально-упорных подшипников; 10 - полумуфта.

К основным энергетическим параметром любого насоса относят следующие величины:

Q - подача, объем жидкости проходящей через насос в единицу времени (л/с, м3/с, м3/ч)

Н - напор, приращение удельной механической энергии жидкости, протекающей через насос (м.)

Где:

Р1, Р2 - давление жидкости в сечениях до и после насоса

V1, V2 - скорости жидкости в тех же сечениях

- плотность жидкости

Z - расстояние по вертикали между точками замера Р1, Р2

- ускорение силы тяжести

N - мощность потребляемая насосом. Полезная мощьность насоса - это мощность сообщаемая насосом перекачиваемой жидкости.

Где:

Р - давление развиваемое насосом.

Полезная мощность насосного агрегата - это мощность сообщаемая среде насосным агрегатом

Где :

Na - потребляемая мощность насосного агрегата (определяется путем изменения энергии, подводимой от двигателя)

, - коэффициент полезного действия двигателя привода и передачи от двигателя к насосу

Коэффициент полезного действия есть отношение полезной мощности Nп к потребляемой мощности насоса и учитывает потери мощности в насосе.

КПД насосного агрегата, это отношение полезной мощности насоса к мощности агрегата

Кавитационный запас насоса h - характеризует кавитационные качества насоса и представляет превышение полезной энергии на входе в насос над удельной энергией, соответствующей давлению насыщенных паров жидкости при температуре перекачки.

Где:

Рs - давление насыщенных паров жидкости

Расстояние по вертикали от уровня жидкости в емкости до оси горизонтальных насосов, оси поворота лопастей вертикальных осевых насосов, оси напорного патрубка вертикальных центробежных насосов, вертикального положения поршня вертикальных поршневых насосов называют - геометрической высотой всасывания hв.

Коэффициент быстроходности насоса или удельная быстроходность - частота вращения модели ротора, геометрически подобной насосу, которая создает напор равный 1 м., при подаче равной 0,075 м3/с.

2. Насосы шестеренные

Иначе работают объемные насосы. В них жидкость перекачивается от входа к выходу порциями, и рабочий орган периодически прерывает их соединение с рабочей камерой. Самый распространенный вид объемных насосов роторного типа - шестеренные насосы. В них, казалось бы, участвуют те же основные части - с вращающимся ротором связан рабочий орган (шестерня), находящийся внутри рабочей камеры. Вот только центробежные силы здесь не при чем: перемещение жидкости осуществляется с помощью пазух, образуемых пространством между зубьями шестерни. центробежный магистральный насос шестеренный

Шестерённые насосы выпускаются с внешним (рисунок 4а, 4б) и внутренним зацеплением (рисунок 5)(одним из вариантов последней является героторная гидромашина со специальным трохоидальным зацеплением(рисунок 6)). Шестеренные насосы с внутренним зацеплением более компактны, но из-за сложности изготовления применяются редко. Кроме того, машины с внутренним зацеплением способны работать при намного меньших давлениях (порядка 7 МПа, реже до 14 МПа), чем машины с внешним зацеплением. Иногда для снижения шумности и неравномерности подачи применяют шестерни с косыми зубьями. В некоторых случаях для облегчения входа перекачиваемой среды входной патрубок имеет размеры (эквивалентный диаметр) соизмеримые с размером шестерен.



Рисунок - 4а шестеренный насос с внешним зацеплением

Рисунок - 4б шестеренный насос с внешним зацеплением

Рисунок - 5 шестеренный насос с внутренним зацеплением

Рисунок - 6 Героторный шестеренный насос

Рабочим органом насоса являются две шестерни: ведущая и ведомая, размещенные в корпусе с небольшими радиальными и торцевыми зазорами. При вращении колес в направлении указанными стрелками жидкость поступает из полости всасывания во впадины между зубьями и перемещается в напорную полость.

Шестерённый насос с внешним зацеплением работает следующим образом (Рисунок 4б). Ведущая шестерня 2 находится в постоянном зацеплении с ведомой 3 и приводит её во вращательное движение. При вращении шестерён насоса в противоположные стороны в полости всасывания зубья, выходя из зацепления, образуют разрежение (вакуум). За счёт этого из гидробака в полость всасывания 1 поступает рабочая жидкость, которая, заполняя впадины между зубьями обеих шестерён, перемещается зубьями вдоль цилиндрических стенок колодцев в корпусе и переносится из полости всасывания в полость нагнетания, где зубья шестерён, входя в зацепление, выталкивают жидкость из впадин в нагнетательный трубопровод 4. При этом между зубьями образуется плотный контакт, вследствие чего обратный перенос жидкости из полости нагнетания в полость всасывания ничтожен. Смазка движущихся элементов насоса производится перекачиваемой жидкостью (масло, расплав полимера и др.), для поступления смазывающей жидкости к зонам трения конструкцией насоса предусматриваются специальные каналы в корпусных деталях насоса.

Рисунок - 7 Шестеренный насос и его составные элементы

Шестеренный насос в разобранном состоянии представлен на рисунке 7. Шестеренный насос состоит из корпуса 8, выполненного из алюминиевого сплава, внутри которого установлены подшипниковый блок 2 с ведущей 1 и ведомой 3 шестернями и уплотняющий блок 5, представляющий собой другую половину подшипника. Для радиального уплотнения шестерен в центральной части уплотняющего блока имеются две сегментные поверхности, охватывающие с установленным зазором зубья шестерен. Для торцевого уплотнения шестерен служат две поджимные пластины 7, устанавливаемые в специальные пазы уплотняющего блока с обеих сторон шестерен. В поджимных пластинах и в левой части уплотняющего блока есть фигурные углубления под резиновые прокладки 6. Давлением жидкости из полости нагнетания пластины 7 прижимаются к торцам шестерен, благодаря чему автоматически компенсируется зазор, а утечки остаются практически одинаковыми при любом рабочем давлении насоса. Ведущая и ведомая шестерни выполнены заодно с цапфами, опирающимися на подшипники скольжения подшипникового и уплотняющего блоков. Одна из цапф ведущей шестерни имеет шлицы для соединения с валом приводящего двигателя. Насос закрывается крышкой 4 с уплотнительным резиновым кольцом 9. Приводной вал насоса уплотнен резиновой манжетой, закрепленной специальными кольцами в корпусе насоса.

В настоящее время наибольшее распространение получили насосы шестеренные внешнего зацепления с подачей от 0,069 до 10,000 л/с (от 0,25 до 36 м3/ч) и давлением от 1 до 4 МПа (от 10 до 40 кгс/см2), предназначенные для перекачивания нефтепродуктов (масло, нефть) и других неагрессивных жидкостей без абразивных примесей, обладающих смазывающей способностью, с кинематической вязкостью от 0,2 до 100 Ст (от 0,2 до 100 см2/с) и температурой в соответствии с табл. 2, изготовляемые для нужд народного хозяйства и экспорта. Класс чистоты жидкости - не хуже 12 по ГОСТ 17216.

Шестеренные насосы изготовляют следующих типов:

НМШ - насос масляный шестеренный на лапах;

НМШФ - насос масляный шестеренный фланцевый;

НМШГ - насос масляный шестеренный с обогревом (охлаждением) корпуса.

Основные параметры насосов при работе на минеральных маслах вязкостью 0,7-0,85 см2/с при вакуумметрической высоте всасывания 5 м должны соответствовать значениям, указанным в таблице 3.

Таблица 3

Обозначение типоразмера	Подача, л/с (м3/ч), не менее	Давление насоса, МПа (кгс/см2)	Частота вращения номинальная, с-1 (об/мин)	КПД насоса, %
НМШФ 0,4-25	0,25 (0,069)	2,5(25,0)	24,17 (1450)	64,0
НМШФ 0,6-25	0,40 (0,111)			68,0
НМШФ 0,8-25	0,63 (0,175)			71,5
НМШ 1,2-25	1,00 (0,278)			77,4
НМШФ 1,2 25
НМШ 2-40	1,60 (0,444)	4,0(40,0)		74,5
НМШФ 2 40
НМШГ 2-40
НМШ 5-25	2,50 (0,694)	2,5(25,0)	16,33 (980)	81,5
НМШФ 5 25
НМШ 5-25	4,00 (1,111)		24,17 (1450)
НМШФ 5-25
НМШГ 5-25
НМШ 8-25	6,30 (1,750)			81,0
НМШФ 8 25
НМШГ 8-25
НМШ 8-40		4,0 (40,0)		77,7
НМШ 12-25	10,0 (2,778)	2,5 (25,0)	24,17 (1450)	81,5
НМШФ 12-25
НМШ 20-25	14,0 (3,889)			70,5
НМШФ 20-25
НМШГ 20 25
НМШ 32-10	18,0(5,000)	1,0 (10,0)	16,33 (980)	70,0
НМШ 80-16	36,0(10,000)	1,6 (16,0)		71,6
НМШФ 80-16
НМШГ 80 16

Подача шестеренного насоса, состоящего из двух колес одинакового размера, определяется выражением

Где:

f - площадь поперечного сечения впадины между зубьями

l - длина зуба шестерни

z - число зубьев

или

где k - коэффициент, для некорригированных зубьев k = 7, для корригированных зубьев k = 9,4; D - диаметр начальной окружности шестерни; z - число зубьев; b - ширина шестерен; n - частота оборотов ведущего вала насоса; зоб - объемный КПД

Рабочий объём шестеренного насоса с внешним зацеплением может быть определён по формуле:

где

 -- модуль зубчатого зацепления;

 -- ширина шестерни;

 -- число зубьев шестеренного насоса, под которым понимается число зубьев на одной шестерне.

3. Технологический расчет магистрального насоса типа НМ

В каталогах приводятся характеристики центробежных насосов, снятые на воде. При перекачке маловязких нефтей и нефтепродуктов эти характеристики не изменяются. Однако с увеличением вязкости перекачиваемой жидкости напорная характеристика и КПД насоса падают, а потребляемая мощность возрастает. Меняется также давление насыщенных паров и значение кавитационного запаса.

Формулы для расчета параметров работы насоса на нефти , , по известным параметрам работы на воде НВ, QВ, имеют вид:

, , ,

где , , - коэффициенты пересчета соответственно напора, подачи и КПД насоса с воды на нефть. В методике пересчета характеристик магистральных насосов в качестве параметра, характеризующего течение перекачиваемой жидкости в рабочем колесе, используется число Рейнольдса

,

где n - число оборотов ротора насоса,

Д2 - наружный диаметр рабочего колеса,

- расчетная вязкость нефти.

Условную границу перехода режима течения жидкости из автомодельной области в область зависящих от вязкости значений параметров насоса определяют переходное и граничное число Рейнольдса и , вычисляемые по формулам:

 и ,

где ns - коэффициент быстроходности насоса, равный

.

В этой формуле QНОМ и ННОМ - подача и напор при работе на воде с максимальным КПД, n - частота вращения (об/мин).

Зная число Reп, можно найти предельное значение вязкости, начиная с которой необходимо вести пересчет характеристик насоса:

.

Если величина меньше расчетной вязкости , то характеристики насоса пересчитываются с воды на нефть.

Для вычисления коэффициентов пересчета напора, подачи и КПД используются следующие формулы:

;

;

,

где - поправочный коэффициент, равный =.

После определения параметров работы насоса на нефти Q, H и можно пересчитать и характеристику Q - N по формуле



где с - расчетная плотность нефти.

Анализ кавитационных характеристик насосов показывает, что критический кавитационный запас на нефтях меньше, чем на воде.

Допустимый кавитационный запас центробежного насоса на нефти определяется по формуле

,

где - паспортное значение допустимого кавитационного запаса для воды;

Кh - коэффициент запаса (Кh=);

и - поправки соответственно на температуру и вязкость перекачиваемой нефти.

При этом

;

.

где - напор, соответствующий давлению насыщенных паров нефти PS;

- скорость потока нефти во входном патрубке насоса;

- коэффициент сопротивления на входе в насос.

Скорость потока вычисляется по формле:

,

где - диаметр входного патрубка.

Коэффициент сопротивления при <определяется по формуле

,

При >9330 можно принять .

Если в паспорте на насос вместо приводится вакуумметрическая высота всасывания НВАК, то величину допустимого кавитационного запаса на воде можно найти по формуле

.

Все характеристики насоса Q-H, -Q, Q-N и пересчитываются в диапазоне подач 0,8 QНОМ QНОМ 1,2 QНОМ.

Исходные данные

Исходными данными для выполнения задания являются характеристики насоса QНОМ, ННОМ, n, Д2, , dВХ, hДОП.В, (приложение 1), а также характеристики перекачиваемой нефти = 825 ч 887 кг/м3 и РS = 66500 Па.

Порядок выполнения работы.

Вычислить значения nS, ReП и .

Принять расчетное значение вязкости перекачиваемой нефти на 50% больше .

Определить величину ReН и ReГР.

Вычислить коэффициенты КН, КQ, К.

Выбрать 5 значений подачи, равных 0,8QНОМ, 0,9QНОМ, QНОМ, 1,1QНОМ, 1,2QНОМ, и найти соответствующие значения Н, , N для воды (приложение 2). Результаты занести в таблицу.

Параметры	0,8 QНОМ	0,9 QНОМ	QНОМ	1,1 QНОМ	1,2 QНОМ
	вода	нефть	вода	нефть	вода	нефть	вода	нефть	вода	нефть
Q, м3/ч
Н, м
N, кВт

3.6. Вычислить соответствующие значения Q, Н, и N для нефти и результаты занести в таблицу.

3.7. Построить характеристики Q - Н, - Q и Q - N для воды и нефти.

3.8. Определить последовательно hS, ht, ВХ, ВХ, hи hдоп.н.

Приложение

Размещено на Allbest.ru

...