Гидравлический расчет трубопровода

4. Пересчет характеристики  с воды на перекачиваемый продукт

При перекачки нефти и нефтепродуктов, имеющих вязкость больше чем вода, характеристики центробежных насосов существенно меняются в зависимости от величины вязкости жидкости.

Выполним пересчет характеристик на вязкую жидкость по методике Колпакова – Аитовой.

Коэффициент быстроходности насоса:

;

где j=1 – число ступеней насоса; i=1 – число заходов.

Число Рейнольдса соответствующее заданной вязкости:

_{Переходное  число Рейнольдса:}

= 62106

_{Коэффициент пересчета напора:}

) = 1-0.128 lg (

Коэффициент пересчета расхода:

=

_{Re > ReП - режим автомодельный и требует пересчет только значений кпд}

;                                                        (7)

где коэффициенты α и А находим по графикам из [5, рисунок 24, 25]:

при Re_ν = 259615  α = 0.02;

при n_S = 207.29     A = 170.

Вычислим из (7) предварительно:

 

 

 

Таблица 4. Пересчет характеристик  группы насосов на вязкую жидкость.

	a1	b1	c1	d1
QВ	4000	4250	4500	4750
HВ	280	258	230	190
ηВ,%	82	83,8	84	83
Qст	4000	4250	4500	4750
Hст	280	258	230	190
ηст,%	80	81,8	82	81

 

_{5. Совмещенная характеристика  насоса и трубопровода}

_{Совмещенная характеристика насоса и трубопровода представлены на рисунке 6.}

_{Нст (Q) – суммарная характеристика насосов; Нпотр(Q) – потребный напор насоса. По точке пересечения этих графиков определяем рабочую точку насосного агрегата при отсутствия регулирования (точка А) с координатами:}

_{QA = 4400 м³/ч;            HA = 245 м;}

_{Определяем  кпд соответствующей  точке А: ηА =}

 

 

 

 

 

 

 

_{6. Возможные варианты  регулирования}

_{6.1 регулирование дросселированием}

_{Регулирование дросселированием в  напорном трубопроводе производится задвижкой  на нагнетательном трубопроводе.}

_{При прикрытии  задвижки на нагнетании увеличивается гидравлическое сопротивление трубопровода, его характеристика становится круче.}

_{По графику  потребного напора  (рисунок 7) – определяем потребный  напор насосной станции, необходимы для обеспечения  планового расхода (точка  Р)}

_{При Q0 = 4100 м³/ч,  H0 = 215 м.}

_{По графику  пересчитанной на вязкость напорной характеристики насоса Нст(Q) определяем положение точки В, через которую должна проходить суммарная характеристика насоса и дросселя:}

 _{Н  = 270 м.}

_{Потеря  напора на дросселе:}

_{Δh = НВ - H0 = 270 – 215 = 55 м.}

_{По графику  ηст(Q) определяем кпд, соответствующей точкам В и Р:}

_{ηВ = ηР = 81 %.}

_{Потребляемая  мощность:}

 ;

 

6.2 Регулирование  байпассированием

По графику Н_ст(Q) определяем положение точки С, через котороую должна проходить суммарная характеристика насоса и байпаса (рисунок 7):

при    Н₀ = 215 м;           Q_с = 4600 м³/ч

Расход через байпас:

ΔQ_Б = Q_c – Q₀ = 4600-4100 = 500 м³/ч.

По графику η_ст(Q), определяем КПД, соответствующей точке С.

η_с = 81,9%.

Потребляемая мощность:

 ;

 

6.3 Регулирование  частотой вращения рабочего колеса

При расчетах исходим из того, что регулированию частотой вращения подвергаются только магистральные  насосы. Подпорные насосы работают при номинальной частоте вращения.

При отсутствия регулирования напорная характеристика станции является суммой напорных характеристик подпорных насосов и магистральных насосов:

Н_П(Q) + Н_М(Q) = H_ст(Q)                                                                       (8)

При уменьшении частоты вращения напорная характеристика группы магистральных  насосов меняется таким образом, что каждая точка переходит вниз по своей параболе подобных режимов. Напорную характеристику магистральных  насосов при уменьшенной частоте  вращения будем обозначать Н_м'(Q). Тогда выполняется очевидное соотношение:

Н_П(Q₀) + Н _М ' (Q₀) = H₀,

или  Н _М ' (Q₀) = H₀ – Н_П(Q₀),

По графику на рисунке 8 определяем напор Н_П, создаваемый подпорными насосами при плановом расходе Q₀ (точка Е):

Н_П = 76 м.

Согласно (8), определяем положение точки F, через которую должно проходить парабола подобных режимов группы магистральных насосов:

Н _М ' (Q₀) = H₀ – Н_П = 215 – 76 = 139 м.

Строим квадратичную подобных режимов, проходящую через точку  F (рисунок 8):

Н = СQ²,

где С = Н _М ' / Q₀² = 139 - 4100² = 0,827 м/[(м³/ч)²]

Составим вспомогательную  таблицу  и построим параболу подобных режимов.

 

 

Таблица 5. Парабола подобных режимов

Q, м3/ч	3500	3700	3900	4100	4300	4500	4700
H = CQ2, м	101,3	113,2	125,8	139	153	167	183

 

По точке пересечения  параболы Н = СQ² с линией Н _М (Q) – точкой D – определяем:

Q_D = 4450 м³/ч;

Вычисляем требуемую частоту:

n' = nQ₀/Q_D = 3000 4100/4450 = 2764 об/мин.

 

6.4 Регулирование  обточкой рабочего колеса 

Требуемый диаметр рабочего колеса вычисляется по формуле:

D₂' = D₂ Q₀/ Q_D = D₂ 4100/4450 = 0.92 D₂,

в данном случае это составит:

D₂' = 0.92 * 450 = 433 мм

КПД при двух последних  способах регулирования практически  не меняется и равно:

η_рег = η_р = 81%:

Потребляемая мощность:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Расчет импеллера

7.1 Назначение  и принцип работы импеллера.

Импеллер представляет собой  винтовой насос, устанавливаемый на месте разделительной втулки (позиция 4, 5 на рисунке 4). Схема импеллера  приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Принципиальная схема импеллера

При вращении вала с угловой  скоростью возникает осевая составляющая сил давления нарезки на жидкость, действующая в сторону, противоположенную приложенному перепаду давления, который создается рабочим колесом. При соответствующем конструктивном подборе такого уплотнения можно практически полностью компенсировать этот перепад и исключить утечки через импеллер во время работы насоса. Такое устройство относится к типу динамических бесконтактных уплотнений винтового типа.

Винтовой импеллер магистрального насоса работает в комбинации с торцовым уплотнением. Вместо функции запирания  потока винтовой импеллер в этом случае создает заданную по расходу циркуляцию жидкости через торцовое уплотнение, что обеспечивает стабильный температурный режим его работы.

Эксперименты показывают, что расход циркуляции через торцовую камеру, создаваемый импеллером, должен быть не менее 1,5…2 м³/ч.

7.2 Методика расчета

Конструкция винтового циркуляционного  импеллера, применяемого в магистральных  насосах при перекачки нефтей, изображена на рисунке 9. Зазор δ оставляется обычных размерах, устанавливаемых для щелевых уплотнений    δ = 0,3...0,4 мм.

На втулках вала делается винтовая прямоугольная нарезка  с параметрами:

h – глубина нарезки ( 3…5 мм);

b – ширина выступов ( не менее 3 мм);

m – шаг нарезки, относящийся к одному заходу;

α – угол наклона винтовой линии;

L – рабочая длина импеллера.

Во втулке корпуса делается несколько проточек для создания циркуляции в торцовой камере, или  же вместо проточек делается отверстие  в подводе насоса.

Направление циркуляции –  через импеллер в сторону подвода, то есть всасывающая сторона импеллера  обращена в сторону торцовой камеры. Это позволяет лучше отвести  тепло, выделяющееся при работе импеллера.

Расчет винтового импеллера  включает выбор его конструктивных и энергетических параметров. Методика расчета описана в [5].

Конструктивные параметры  удобно оценивать с помощью безразмерных комплексов u, v, t…

                                                                               (9)

                                                                                   (10)

                                                                                (11)

Число заходов z импеллеров рекомендуется принять примерно от 5 до 15. Для многозаходного импеллера вместо размера b следует принять zb.

Угол α обычно меняется в пределах от 10 до 17º.

Теоретическую характеристику импеллера можно представить в виде прямой, имеющей уравнение:

P = P_з– aQ,                                                                                         (12)

где a = P_з/Q,                                                                                               (13)

                                                                                                 (14)

P_з – запирающее давление при Q = 0; - динамическая вязкость;

,                                                                 (15)

  - максимальная подача импеллера ,                             (16)

                                                                             (17)

Мощность затрачиваемая импеллером:   

 ,                                                                                     (18)

где                                             (19)

 

7.3 Расчет основных  параметров импеллера:

Дано:

диаметр вала: d = 160 мм;

рабочий зазор: = 0,40 мм    и  0,8мм 

рабочая длина импеллера:  L = 90 мм          

Принимаем:   

глубина нарезки: h = 3 мм;

ширина выступов: b = 5 мм;

шаг нарезки, относящийся  к одному заходу: m = 140 мм ;

угол наклона винтовой линии: α   = arctg(m/πd) = 15,56º;

количество заходов принимаем: z = 10;

угловая скорость вращения вала: ;

динамическая вязкость:

Расчет ведем для значения = 0,40 мм:

Вычисляем по (9) = 0.6429

Вычисляем по (10) 

Вычисляем по (11)

Вычисляем по (15)

Вычисляем по (17)

Вычисляем по (19)

Максимальная подача импеллера  по (16) 34 м³/с = 11,28 м³/ч

Запирающее давление при  Q = 0 по (14):

 

Вычисляем по (13)

Мощность затрачиваемая импеллером по (18)

 

Аналогичные вычисления приведены  для второго значения рабочего зазора δ = 0,8 мм. Результаты запишем в таблицу 6 и построим напорные характеристики импеллера для различных величин рабочего зазора (рисунок 10).

Таблица 6 – Расчетные  параметры импеллера

δ, мм	Qmax, м3/ч	PЗ, Мпа	а, Мпа/[м3/ч]	N, кВт
0,4	11,28	0,229	0,0203	0,968
0,8	11,04	0,073	0,0066	0,545