Нефтепромысловые машины и механизмы

Контролируют работу насоса по манометру 10, устанавливаемому на напорном трубопроводе, и по вакуумметру 9, устанавливаемом} на всасывающем трубопроводе. В отличие от поршневого центро­ бежный насос не обладает способностью засасывать жидкость в на­ чале своей работы, так как возникающая при вращении колеса на­ соса центробежная сила вследствие небольшой плотности воздуха относительно жидкости недостаточна для удаления воздуха из насоса и всасывающего трубопровода и создания необходимого разрежения. По этой причине перед пуском насоса всасывающий

трубопровод и корпус насоса необходимо залить жидкостью. Уходу в резервуар заливаемой в насос жидкости препятствует приемный клапан 1. При выбрасывании жидкости из колеса в корпусе насоса образуется разрежение. Под действием атмосферного давления на поверхность жидкости в резервуаре 3 в движение придет столГ) жидкости во всасывающем трубопроводе. Таким образом осущест­ вляется непрерывное движение жидкости в системе установки.

При перекачке нефти и нефтепродуктов установки центробежных насосов обычно располагают ниже резервуара. При этом заливка насоса осуществляется автоматически, как только будет открыта задвижка на всасывающем трубопроводе. Обратный клапан 8 пред­ назначен для автоматического прекращения доступа жидкости к насосу из напорного трубопровода, как только напор, развиваемый насосом, станет меньше давления в напорном трубопроводе. Обрат­ ный клапан предотвращает аварию при внезапном прекращении работы двигателя насоса, так как ротор насоса под действием стати­ ческого напора жидкости напорного трубопровода начнет вращаться в обратную сторону.

§37. Классификация центробежных насосов

Взависимости от назначения применяют центробежные насосы самых различных типов, отличающиеся друг от друга следующими

конструктивными особенностями и эксплуатационными данными.

1.По числу ступеней создания давления насосы разделяются на одноступенчатые, двухступенчатые, многоступенчатые, в кото­ рых жидкость проходит через последова­ тельно расположенные рабочие колеса, по­ степенно увеличивающие напор до заданной величины.

2.По устройству рабочих колес, кото­ рые могут иметь односторонний и двусто­ ронний вход жидкости (рис. 72). Поток при входе в насос делится на две части и посту­

пает в колесо		с двух сторон. На выходе из		Рис. 72. Рабочее	колесо
него	обе части потока вновь		сливаются	с двусторонним	входом
н как единый		поток поступают	в спираль­	жидкости.
ную	камеру.

3.В зависимости от расположения вала рабочих колес различают насосы горизонтальные и вертикальные. К последним относятся погружные насосы.

4.В зависимости от условий движения жидкости из рабочего

колеса в корпус насоса различают насосы с направляющим аппа-

Рис. 73. Схема центробежного насоса	Рис. 74. Спиральная камера центро­
секционного типа.	бежного насоса спирального типа.
1 — направляющий аппарат; 2 — рабочее	1 — спиральная камера; 2 — конический
колесо.	трубный расширитель (диффузор).

ратом и без него. В первом случае устройством, обеспечивающим преобразование скоростной (кинетической) энергии в энергию давле­ ния служит направляющий аппарат. Пример такого насоса — мно­ гоступенчатый насос секционного типа (рис. 73), который состоит из ряда секций, разъемных в вертикальной плоскости.

от

ско­

Во втором случае устройством, преобразующим скоростную энер­ гию в энергию давления, служит спиральная камера. Пример такого насоса — спиральный насос (рис. 74). Очертания камеры обеспечи­ вают плавное уменьшение скорости движения жидкости и камера является безлопаточным отводом.

5. По способу соединения вала рабочего колеса с двигателем различают насосы, имеющие общий вал с двигателем, и насосы

приводные, соединяемые	с двигателем при помощи передачи.
§ 38. Основное	уравнение центробежного насоса
Согласно известной из	курса гидравлики одноразмерной теории

движение массы жидкости в рабочем колесе может быть уподоблено движению одной элементарной струйки, т. е. движение всей массы жидкости в рабочем колесе рассматривается как движение одинако­ вых элементарных струек в колесе с бесконечно большим числом элементарно тонких лопаток.

При этом, кроме того, допускается, что траектории движении отдельных частиц жидкости одинаковы с формой лопаток.

Стенки проточных каналов в корпусе центробежного насоса неподвижны, поэтому скорости потока относительно этих стенок являются абсолютными скоростями.

При движении внутри канала рабочего колеса частица жидкости имеет по отношению к колесу относительную скорость w, которая направлена касательно к лопатке в точке ее приложения. Но благо­ даря вращению колеса при числе оборотов п частица жидкости приобретает и окружную скорость, направленную касательно к ок­ ружности радиуса г, определяемую как произведение угловой рости со на радиус г — расстояние рассматриваемой частицы центра вращения, т. е.

Следовательно, частица жидкости, покидая рабочее колесо, будет иметь окружную скорость по касательной к наружному диа­ метру колеса в точке выхода и относительную скорость, направлен­ ную касательно к выходной кромке лопатки. В результате геометри­ ческого сложения этих скоростей (и и w) частица жидкости будет иметь абсолютную скорость с по их равнодействующей (по диагонали параллелограмма, построенного на направлениях скоростей и и w)r в направлении которой элементарные струйки жидкости будут выходить из рабочего колеса (рис. 75).

Угол, образуемый между направлениями абсолютной скорости с и окружной скорости и, обозначают через а. Угол между касатель­ ными к лопатке и к окружности в направлении, противоположном направлению окружной скорости, обозначают через р. Этот угол определяет направление относительной скорости w.

Абсолютную скорость можно рассматривать как результирую­ щую двух скоростей:

си — совпадающей по направлению с окружной скоростью и яв­ ляющейся проекцией скорости с на окружную и равной

Сц = с cos а;

ст— меридиональной, направленной по радиусу г и равной

ст — с sin а.

и2------------ .с?

Рис. 75. Движение жидкости в каналах рабочего колеса.

Для скоростей входа и выхода из колеса обозначения одинаковы, только входным скоростям придается индекс 1, а выходным — ин­ декс 2. Тогда будем иметь:

при входе на лопатки

wx — относительную скорость,

Ul = ГСво" “ окружную скорость, сх— абсолютную скорость;

при выходе с лопаток

w2— относительную скорость,

лDon

и2 = —eQ - — окружную скорость,

с2— абсолютную скорость.

Здесь Di — внутренний диаметр рабочего колеса; D i — наруж­ ный диаметр рабочего колеса; п — число оборотов рабочего колеса в минуту,

Следует заметить, что относительные скорости wi и W2 это те скорости, которые заметил бы наблюдатель, вращающийся с колесом^

9 Заказ 298.

ai абсолютные скорости сх и с2 это скорости, которые заметил бы наблюдатель, находящийся вне колеса.

Из треугольников скоростей на входе и выходе рабочего колеса (рис. 76) получим следующие зависимости:

w „	=	c l - \-	и2 — 2c2u2 cos а2,				(III. 1)
2		2	2”				(III.2)
w x =		с 1 -\-	и1— 2с1и1cos dj,
		Сто — ^2 Sill Ct>2?					(III. 3)
Сцо	— С2 COS СХ2 — U 2			Ст^ Ctg ^2*			(III. 4)
• /*					v	£ 4|
и*						\	]
					■* -с и1Ц

б

Рис. 76. Треугольники скоростей.

а — при входе; 6 — при выходе.

Каждый килограмм жидкости, протекающей через колесо, обла-

с2

дает кинетической энергией (скоростным напором) —— и, находясь

под давлением р , имеет потенциальную энергию			. Если	обозна­
чить через р х и р2 соответственно давление при			входе и выходе из
рабочего колеса, получим полный		напор, развиваемый		колесом
Нт	Ih — Pi	,		(III. 5)

У

Если представить себе колесо неподвижным и движение жидкости по его каналам происходящим с теми же относительными скоростями, что и при вращающемся колесе, то запас энергии на 1 кг жидкости, очевидно, будет:

при входе

и при	выходе		V	^	2g
			Ръ_	I	_ _ 2 _
			Y	'	2# ‘
г Гррметрццеские		высоты	zx и	z2 потока жидкости будут равны
метрично	как	тяжести массы жидкости, растекающейся сим­
	относительно оси		колеса, остается неизменным.

При протекании жидкости в колесе без учета потерь энергии справедливо равенство

Pi	,	Ш1 _	Р2 .	ш2
Y	‘	2g	у	2g

Однако при вращении колеса жидкость приобретает в нем допол­ нительную энергию А , соответствующую работе центробежной силы.

Тогда баланс энергии для 1 кг жидкости примет вид:

	_ _ 1 _ А А — £l_			(Ш . *6)
	2	у	2g
	Величину А можно определить	из	следующих соображений.

При вращении рабочего колеса с постоянной угловой скоростью и струйном движении жидкости на элементарную частицу жидкости будет действовать центробежная сила, равная произведению массы частицы на ускорение, т. е. т со2 г. Центробежная сила, действующая

на 1 кг жидкости,	составит	2
	1
	т	®г’
где со — угловая	скорость; г — радиус вращения.

При перемещении 1 кг жидкости на бесконечно малое расстояние dr элементарная работа центробежной силы в направлении радиуса будет

dA = — со2 г dr. g

Работа центробежной силы при перемещении 1 кг жидкости на пути от гх до г2 составит

2	2	2	2
^	r 2— to		rt
		2g

Но сог2 = и2 и со	— uv	Тогда
	А =		и2 — и2
			2		1
				2g
Вводя полученное значение			в	формулу				(III. 6) баланса энергии
для 1 кг жидкости, получим
Р\	и)л			Л'	__	t)	I	__ 2
	Ч— - 4 -			1		ГРчЧ
У ^ 2g ^			2 g ~ У ^ 2g
Решая это уравнение относительно р,							получим
	P*-Pl		.2	2		2		2
		Wl - Wl			|	и2 - и!
	У		2g				2g	'

Заменяя значение левой части уравнения			в формуле (III. 5),
будем иметь теоретический напор
и2 — и2	С2 — С 2	W2 — w2
Я т = ---- 1 +	2 1 |	1	2
	2g	2g

Первый член этого уравнения представляет приращение напора, вызываемого центробежными силами, действующими на массу жидкости, перемещающейся от гг до г2; второй член показывает изменение кинетической (скоростной) энергии потока от входа до выхода из рабочего колеса. Последний член представляет изменение напора в результате изменения относительной скорости потока при протекании жидкости через рабочее колесо.

Пользуясь	зависимостями	(III. 1) и (III.		2), заменим	w\ и	w)
соответственно	через cv и1 и	с2,	и2. После	сокращения	получим
	__ ^2^2 COS 0 2		^i^‘i COS Ctj		(HI	7)

Это и есть основное уравнение Эйлера для определения теорети­ ческого напора колеса турбомашины, написанное в самом общем виде и справедливое для всех лопастных машин, т. е. водяных, паро­ вых и газовых турбин, центробежных насосов и вентиляторов, а также турбокомпрессоров.

В результате гидравлических сопротивлений протеканию жидко­ сти через колесо, на преодоление которых затрачивается часть энергий, действительный напор, создаваемый насосом, меньше теоре­ тического. Введя в уравнение (III. 7) гидравлический коэффициент

полезного действия цг,	учитывающий уменьшение	теоретического
напора, получим значение действительного напора:
Й =	u2c2 cos а2 —и1с1cos а!	(III. 8)
	Цг
	8

Заметим, что для гидравлических турбин, где в противополож­ ность йасосам жидкость сообщает энергию ротору турбины, уравне­ ние Эйлера примет вид:

H r|i —— (uic1cos ax — u2Cocos a2).

В центробежном насосе во избежание лишних потерь важно соблюдать условие безударного входа жидкости в рабочее колесо. Для этого жидкость подводят к насосу так, чтобы скорость с0 ж идко­ сти перед входом в колесо была направлена в плоскости, проходя­ щей через ось насоса, и чтобы абсолютная скорость с1 жидкости не

изменялась или же по возможности мало отличалась по направлению и величине от скорости с0, т. е.

ci — со-

В соответствии с этим ах = 90°, а второй член правой части равенства (III. 8) превратится в нуль и уравнение Эйлера примет следующий вид:

		Н = -у- и2СЧC0S а2-			(III. 9)
Это и есть о с н о в н о е			уравнение центробежного насоса.
Так	как	ич = со гч и	сч cos ач = си2, уравнение (III. 9)		примет
вид:
			Н =	Т|гМ' 2<Цг	(111.10)
Так	как	в уравнения	(III.	9 и III. 10) удельный вес жидкости

не входит, можно сделать вывод, что напор, создаваемый насосом, если он выражен в метрах столба жидкости, не зависит от рода перекачиваемой жидкости (вода, нефть, бензин и т. п.). Точно так же

не зависит	подача или объем от рода перекачиваемой жидкости.
§ 39.	Действительный напор центробежного насоса

Основное теоретическое уравнение центробежного насоса было выведено на основании одноразмерной теории, при которой пред­ полагается, что все частицы жидкости описывают в рабочем колесе и направляющем аппарате одни и те же траектории и что форма этих траекторий совпадает с кривизной лопатки. Это возможно лишь при бесконечно большом числе лопаток. Однако в действитель­ ности рабочие колеса имеют конечное число лопаток определенной толщины, в результате чего распределение скоростей в поперечном сечении каждого канала будет неравномерным, что может существен­ но снизить напор Н (на 15—20%). Неравномерность распределения скоростей обусловлена следующими причинами. При вращении колеса жидкость, заполняющая его каналы, вращается в сторону, обратную вращению колеса. Это явление можно представить из рассмотрения движения жидкости в замкнутом объеме между лопат­ ками, т. е. при закрытых внутреннем и внешнем выходном кольцевых сечениях канала.

На рис. 77 (канал I) показано струйное течение, соответствующее бесконечно большому числу элементарно тонких лопаток. Если жидкость не имеет вязкости, то она при вращении замкнутого сосуда вокруг какой-либо оси, жестко скрепленной с ним, будет вращаться относительно стенок этого сосуда в обратную сторону с той же угло­ вой скоростью, с какой вращается сосуд вокруг оси. Это явление

опытным путем для насоса каждого типа, так как он зависит от числа и формы лопаток, от угла 02 и отношения г2 rv а также от формы направляющих аппаратов.

Тогда выражение для действительного напора, развиваемого

колесом с конечным числом лопаток, примет вид:
Я д = к ^ и2с2cos а2.	(III. 12)
Величину к можно заимствовать из табл. 18.
Значения к	Таблица 18

Насос с направляющим аппаратом

D2: D\	0 2 = 4	0 °	0 2 = 3 0 °	■CD(3 1	О о
1,5	0,6	8	0,73	0 ,8
2	0,75		0,78	0,84
2,5	0,77		0 ,8	0 ,8 6

Н асос без направляющего аппарата

Г>2 • -^1	DT	СО О о	0 2 = 2 0 °	0 2 = 1 0 °
		II
1,25		0,55	0,63	0,69
1,5		0,63	0,71	0,77
2		0,70	0,77	0,82

Для теоретического	определения поправочного коэффициента
к пользуются формулой	К. Пфлейдерера:

где z — число лопаток в рабочем колесе; ф — опытный коэффициент; ф = 0,8 -т-1,0 для насосов с направляющим аппаратом и ф = 1,0 -f- -f 1,3 для насосов без направляющего аппарата (спиральных).

Для практического пользования уравнением (III. 12) упростим его, для чего определим значение абсолютной скорости с2 из рис. 76 по теореме синусов:

sin

откуда	и2	sin [ 180° — (СХ2 4 - р2) ] '
		~	s*n Р2
				(III.	13)
		С2 — U2 s in	(а 2 + § 2)
Поставив полученное значение с2 в уравнение (III. X i U I } A I V V A j					u i m
НЛ= к	и2с2cos а2		, т)г	2 cos а2sin р2
			g	sin (а2+ Р2)

Но

И2

Л D2n

_ 60