Федеральное агентство по образованию РФ

Филиал Санкт-Петербургского государственного морского

технического университета

СЕВМАШВТУЗ

Кафедра № 7

«Океанотехника и энергетические установки»

Воронин А. М.

Гидравлический расчет судовой системы

Методические указания

к выполнению курсовой работы по дисциплине

«Гидромеханика» для студентов заочной формы обучения

специальности 180103

г. Северодвинск

2009

УДК

Гидравлический расчёт судовой системы

Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Гидромеханика» для студентов заочной формы обучения специальности 180103/ Сост. А. М. Воронин – Северодвинск: Севмашвтуз, 2009. – 30 с.

Методические указания предназначены для студентов заочной формы обучения специальности 180103 (141200) «Судовые энергетические установки». Рассмотрены вопросы расчёта потерь напора в трубопроводах энергетических установок и построения гидравлической характеристики сети, приведены алгоритмы решения прямой и обратной задачи гидравлического расчёта, комментарии к расчётам, список необходимой литературы, требования к оформлению курсовой работы.

Методические указания разработаны в помощь студентам-заочникам при выполнении курсовой работы по дисциплине «Гидромеханика».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Севмашвтуза.

Лицензия на издательскую деятельность

Код 221. Серия ИД. №01734 от 11 мая 2000 г.

ISBN	© Севмашвтуз, 2009 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………….4

1. Описание конденсатно-питательной систем……………………………5

2. Общие теоретические положения ……………………………………...12

3. Алгоритм решения прямой задачи ……………………………………..14

4. Алгоритм решения обратной задачи …………………………………...18

5. Гидравлические сопротивления систем в случае двухфазной среды...21

6. Алгоритм выполнения курсовой работы ………………………………23

7. Требования к оформлению курсовой работы….……………………….26

8. Список рекомендуемой литературы …………………………………....29

ВВЕДЕНИЕ

Цель выполнения данной курсовой работы – закрепление знаний по основам теории судовых гидравлических трубопроводных систем, а также практическое овладение навыками для выполнения необходимых расчетов трубопроводных систем.

В качестве систем, предназначенных для учебного расчета, выбраны конденсатная и питательная системы судна. Это объясняется двумя причинами: во-первых, это наиболее важные системы с точки зрения функционирования судовой энергетической установки (СЭУ); во-вторых, они наиболее разветвленные, что представляет определенный интерес с точки зрения выполнения гидравлических испытаний.

Исходные данные для расчётов приведены в таблицах 1 и 2.

1. Описание конденсатной и питательной систем

В качестве систем, предназначенных для учебного расчета, выбраны конденсатная и питательная системы судна. Это объясняется двумя причинами: во-первых, это наиболее важные системы с точки зрения функционирования судовой энергетической установки (СЭУ); во-вторых, они наиболее разветвленные, что представляет определенный интерес с точки зрения выполнения гидравлических испытаний.

Рассмотрим назначение этих систем. Назначение конденсатно-питательной системы состоит в приеме, хранении и подаче рабочего тела (конденсатной и питательной воды) к подогревателям, фильтрам, элементам управления, регулирования и защиты СЭУ, парогенерирующей установке. На рис.1 и 2 приведены упрощенные схемы систем (часть оборудования и элементов опущена). Схема конденсатно-питательной системы является одной из наиболее сложных и разветвленных составных частей общей тепловой схемы паротурбинной установки. При разработке рабочих схем конденсатно-питательной системы следует учитывать следующие требования МОРСКОГО РЕГТСТРА СУДОХОДСТВА:

Каждый главный котел и вспомогательный котел ответственного назначения или группа котлов должны иметь не менее двух питательных насосов с независимым механическим приводом. Для питания вспомогательных котлов неответственного назначения, а также утилизационных котлов, конструкция которых позволяет им находиться без воды при обогреве выхлопными газами, достаточно предусматривать один питательный насос. Для котлов с ручным регулированием питания подача каждого насоса должна быть не менее 1,15 расчетной производительности котлов, а для котлов с автоматическим регулированием их расчетной производительности. При числе питательных насосов более двух подача насосов должна выбираться из условия, что при выходе из строя любого насоса суммарная подача оставшихся насосов будет не менее указанной выше подачи одного насоса. Подача каждого питательного насоса прямоточного котла должна быть не менее расчетной. Питательные насосы с паровым приводом должны иметь отдельный трубопровод свежего пара, к которому должен подводиться пар от всех обслуживаемых ими котлов. Главные и вспомогательные котлы ответственного назначения с принудительной циркуляцией должны обслуживаться не менее чем двумя циркуляционными насосами, один из которых является резервным. Конденсатная система паротурбинных установок должна обслуживаться двумя конденсатными насосами. Подача каждого насоса не менее чем на 25 % должна превышать максимальное количество конденсата отработавшего пара, поступающего в конденсатор. В установках с двумя главными конденсаторами, размещенными в одном машинном отделении, резервный конденсатный насос может быть общим для обоих конденсаторов.

Исходные данные по теплообменным аппаратам (приложение к табл. 1 и 2).

	Маслоохладитель	Конденсатор ВОУ	Подогреватель высокого давления
n, шт	270	38	300
Z	2	4	2
L, м	2,5	1	3
d, м	0,013	0,013	0,013
D, м	0,9	0,2	0,45

ПОЯСНЕНИЯ К ТАБЛИЦАМ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Конденсатная система:

Q₀ – расход жидкости в системе;

Q₁ – приток жидкости в систему;

L₁ – длина высасывающей магистрали системы;

L₃ – длина участка от тройника до выходного патрубка из маслоохладителя (МО);

L₄ – длина участка от выходного патрубка МО до выходного патрубка конденсатора водоопреснительной установки (ВОУ);

L₅ – длина участка от выходного патрубка конденсатора ВОУ до входа в деаэратор;

Q_МО – относительный расход жидкости, подаваемый на МО;

Q_ВОУ – относительный расход жидкости, подаваемый в конденсатор ВОУ;

Z₁ – геометрическая высота от уровня конденсата в конденсатосборнике главного конденсатора (ГК) до центра тяжести (ЦТ) сечения входного (всасывающего)патрубка насоса;

Z₂ – геометрическая высота между ЦТ сечений выходного (нагнетательного) патрубка насоса и входного патрубка МО;

Z₃ – геометрическая высота между ЦТ сечений выходного патрубка монообенного фильтра (ИОФ) и входного патрубка ВОУ;

Z₄ – геометрическая высота между ЦТ сечений выходного патрубка ВОУ и входного патрубка деаэратора;

ΔР_Ф – гидросопротивление ИОФ;

ΔР_д - гидросопротивление деаэрационной головки;

Р_д – давление в деаэраторе;

Р_К – давление в ГК;

Δt₄ – подогрев конденсата в МО;

Δt₂ – подогрев конденсата в конденсаторе ВОУ.

Питательная система:

Q₀ – расход жидкости в системе;

Q – расход жидкости на специальные нужды;

L₁ – длина всасывающей части системы;

L₂ – длина участка напорной магистрали до тройника разделения потоков;

L₃ – длина участка напорной магистрали от тройника до ЦТ сечения входного патрубка подогревателя (ПВД);

L₄ – длина участка напорной магистрали от ПВД до входа в парогенератор;

Z₁ – геометрическая высота от уровня жидкости в деаэраторе до ЦТ сечения входного патрубка насоса;

Z₂ – геометрическая высота между ЦТ сечений выходного напорного патрубка насоса и входного патрубка ПВД;

Z₃ – геометрическая высота между ЦТ сечений выходного патрубка ПВД и патрубков клапанной сборки;

Z₄ – геометрическая высота между ЦТ сечений патрубков клапанной сборки до верхней границы экономайзера ПГ (взято условно);

ΔР_Р – гидросопротивление расходомера;

ΔР_ПГ - гидросопротивление ПГ;

Р_Д – давление в деаэраторе;

Р_П – давление генерируемого пара;

Δt – нагрев питательной воды в ПВД;

Теплообменные аппараты:

n – число труб в трубном пучке;

Z – количество ходов охлаждающей воды;

L – длина трубного пучка;

d – внутренний диаметр труб пучка;

D – диаметр трубной доски.

2. ОБЩИЕ ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Целью гидравлического расчета трубопровода является определение диаметра труб и гидравлических характеристик системы, т.е. расхода и напора жидкости в трубопроводах на основных режимах работы системы. По полученным гидравлическим характеристикам в дальнейшем производится выбор главного механизма, обслуживающего систему. Между гидравлическими характеристиками трубопровода и характеристиками механизма должно быть полное соответствие на основных режимах работы системы. Необходимый напор и производительность системы обеспечивается в том случае, если расход жидкости и полное сопротивление в трубопроводной системе с учетом избыточного давления у потребителя и высоты подъема жидкости равны соответственно производительности и напору механизма (т.е. выполняются условия материального и энергетического балансов системы и механизма). При несоблюдении равенства будет наблюдаться либо перегрузка механизма, либо снижение напора и расхода в трубопроводе. Основным моментом в гидравлическом расчете системы является определение полного сопротивления движения жидкости. Большинство судовых систем характеризуются сильной разветвленностью и большой насыщенностью различной арматурой. Гидравлический расчет системы начинается с вычерчивания расчетной схемы системы, которая представляет собой развернутую на плоскость чертежа схему системы. Расчетная схема выполняется в масштабе с точным соблюдением места расположения механизма, арматуры и всех потребителей. Весь трубопровод разбивается на отдельные простые трубопроводы (т.е. трубопроводы, в пределах которых Q = const). Участки обозначаются двумя цифрами 1-2, 2-3, 3-4 … (первая – начало, вторая – окончание участка по ходу расчета). В зависимости от схемы гидравлического расчета разбивка на участки производится либо от самой удаленной точки к насосу, либо в обратном направлении от насоса к самой удаленной точке трубопровода. На расчетной схеме указываются размеры трубопровода, которые записываются на выносных линиях в виде . Кроме того, на схеме указываются значения геометрической высоты Z_i узловых и характерных точек над плоскостью сравнения. После составления расчетной схемы приступают к составлению и расчету уравнений. На практике встречаются разнообразные случаи гидравлического расчета простых и сложных трубопроводов, однако все случаи и зависимости от совокупности заданных величин могут быть сведены к решению двух типовых задач: прямой и обратной.

ПРЯМАЯ ЗАДАЧА. По схеме прямой задачи рассчитываются все случаи гидравлических расчетов, при которых напор механизма не задан. Целью расчета в этом случае является определение гидравлических характеристик трубопровода, на основании которых определяются характеристики механизма. Задача этого типа решается полностью и в конечном виде. Расчет производится от самой удаленной точки (потребителя) к насосу. Для выполнения расчетов при решении прямой задачи должны быть известны следующие величины:

- параметры потребителей;

Q_i – расходы потребителей, м³/с;

H_i – напоры потребителей, Дж/кг;

- род жидкости;

- схема системы и ее размеры;

L_i – длина участков, м;

Zi – геометрические высоты расчетных точек, м;

C_i – скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с;

ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА. Она носит по своей постановке обратный характер и представляет собой такой случай гидравлического расчета, при котором напор механизма задан. Целью гидравлического расчета в этом случае является определение параметров движения жидкости, которые будут иметь место в трубопроводе всей системы или у отдельного ответвления. При этом расчете определяются следующие параметры:

C_i – скорость движения жидкости в трубопроводах, м/с;

d_i – диаметр трубопроводов, м;

H_i – напор у потребителей, Дж/кг.

При решении этого типа задач характерным является вычисление скорости движения жидкости, которая в этом случае не может быть назначена, а определяется в зависимости от действующего на участке трубопровода напора. Обратная задача при приведенной совокупности заданных величин не может быть решена в конечном виде и поэтому решается, как правило, методом последовательных приближений.

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ПРЯМОЙ ЗАДАЧИ.

Прямая задача может быть решена следующими методами:

- аналитическим методом;

- методом потерянного напора на единицу длины трубопровода;

- методом характеристик.

Рассмотрим наиболее широко применяемый аналитический метод. Расчет ведется от самой удаленной точки системы, для которой может быть задан следующий ряд параметров:

Н₁ – напор, Дж/кг;

- вид жидкости (при необходимости и ее термодинамические параметры);

S₁ – площадь проходного отверстия у потребителя, м²;

- коэффициент расхода для потребителя (выбирается из табл.3) [1].

Вместо двух последних параметров может быть задан расход жидкости Q_1.2, м³/с, либо он определяется на участке 1-2 по формуле

, м³/с.

Скорость движения жидкости выбирается в диапазоне С=2 - 5 м/с согласно табл.4 [2]. Внутренний диаметр трубопровода на участке 1-2 определяется как

, м.

После определения диаметра, его значение сравнивается с диаметром трубопровода, равным диаметру условного прохода Ду, который регламентируется стандартом (стандартом установлены следующие значения условных проходов: 10, 15, 20,32,40,50,65, 90,100,125,150,200,300,350,400 и др.). При выборе стандартного размера внутреннего диаметра трубопровода (Ду) стремятся, чтобы Ду мало отличался от фактического значения. Расхождение не должно превышать 10% в противном случае гидравлический расчет необходимо выполнять по фактическому значению диаметра трубопровода. Справочные материалы по сортаменту труб могут быть взяты из [3].

По выбранному значению d_1.2 производится уточнение скорости жидкости:

.

Рассчитываем критерий Рейнольдса:

,

где ν – коэффициент кинематической вязкости перекачиваемой жидкости (может быть взят из [4]), м²/с.

Таблица 3

Таблица 3

Таблица 4

Среда	Назначение трубопровода	Скорость, м/с
Вода пресная	Конденсатный: - приемный - напорный Питательный Охлаждения ДВС: - приемный - напорный Бытовой пресной воды: - приемный - напорный	0,5 – 1,0 2,5 – 3,0 3,0 – 4,0 1,5 – 2,0 2,0 – 2,5 1,0 – 1,5 2,0 – 2,5
Рассол	Рассолопровод СКВ	1,5 – 2,0
Вода забортная	Приемный насоса Напорный магистральный Отросток к потребителю	2,0 – 2,5 2,5 – 3,0 4,0 – 7,0
Топливо и масло	Приемный насоса: - без подогрева - с подогревом Перекачивающий: - без подогрева - с подогревом Масляный напорный ГТЗА Топливный котла: - до подогревателя - после подогревателя	0,5 – 0,7 1,0 – 1,2 1,5 – 2,0 2,0 – 2,5 2,0 – 2,5 1,5 – 2,5 2,5 – 3,0

Определяем коэффициент гидравлического трения по следующим формулам:

,

область вязкого сопротивления Re<2300 (формула Пуазейля);

,

область гидравлически гладких труб 4000<Re<10⁵ (формула Блазиуса);

,

область гидравлически гладких труб 4000<Re<3*10⁶ (формула Кольбрука);

,

область доквадратичного сопротивления , где k_э - эквивалентная шероховатость (формула Альтшуля);

,

область квадратичного сопротивления (область автомодельности) (формула Прандтля-Никурадзе).

Определяем коэффициенты местных сопротивлений (выбираются из справочников [4], [5] в зависимости от вида местных сопротивлений). Находим полный коэффициент сопротивления рассчитываемого участка:

.

Находим потерянный напор на участке 1-2:

, Дж/кг.

Расчетный напор в точке 2 будет найден:

, Дж/кг.

Таким образом, напор в точке 2 определен, т.е. задача для участка 1-2 решена полностью и в конечном виде. Расчет последующих участков выполняется аналогично.