Расчетная часть-Расчет электроцентробежного насоса УЭЦНД5-80-1300-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет электроцентробежного насоса УЭЦНД5-80-1300:Расчет вала насоса УЭЦНД5-80-1300, Расчет корпуса клапана на прочность, Методика расчета коэффициента сепарации центробежного газосепаратора-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

5 Расчетная часть

5.1 Расчет вала насоса УЭЦНД5-80-1300

Определение ориентировочного размера вала по внутреннему диаметру шлицев без учета влияния концентрации напряжений и изгиба вала d1ВН, мм
  ,         (5.1)
где Мкрmax – максимальный крутящий момент на валу насоса определяется
по следующей формуле, кН м
  ,        (5.2)
где n – число оборотов вала, об/мин;
 Nmax – наибольшая мощность, то есть мощность на валу насоса.
 
 Определим критическое напряжение Rкр, МПа
   ,        (5.3)
где Rz – допускаемое напряжение на кручение, МПа.
  ,          (5.4)
где δв – временное сопротивление разрыву материала вала.δв =950 МПа;
 n1 = 1,8 - 2,6.
  Мпа;
  Мпа;
  мм;
 По стандарту принимаем диаметр вала равный 30 мм.
 Определим вес в жидкости единицы длины вращающейся системы
где Lдв – длина электродвигателя без протектора. Lдв=6190 мм;
 Gдв – вес электродвигателя без протектора.Gдв 325 кг;
 mт – вес 1 метра труб (гладких). mт=13,67 кг;
 Lн – длина спуска насоса.Lн=986,22 м.
  ,         (5.5) кг
 Определим стрелу прогиба шлицевого конца вала Δу, мм
  ,      (5.6)
гдеd – диаметр вала. d=30 мм;
 n – скорость вращения вала. n=3000 об/мин;
 Р – давление развиваемое насосом. Р= 22 Н/см2.

  мм
 Определим вес вала m, кг
  ,         (5.7)
 где mт – масса 1 м вала. mт =5,07 кг.
  кг
 Определим момент инерции вала I, Н/м
  ,          (5.8)
где d – диаметр вала. d=0,030 м.
  Н/м
 Определить радиальную нагрузку Р1, Н
  ,         (5.9)
где ε – модуль упругости материала вала. ε=2·105 МПа;
 l1 – расстояние между точками приложения радиальных сил.l1=1200 мм;
 с – расстояние между точками приложения радиальных сил действующих на вал.с=800 мм;
 b – расстояние от места приложения радиальной нагрузки к валу до
выточки на нем.
  Н
 Определим средний диаметр шлицев dср, м
  ,         (5.10)
где d1 – диаметр вал, мм;
 d – принятый по стандарту диаметр вала. d=30 мм.
 
 Определим окружное усилие на среднем диаметре шлицов ,Н
  ,         (5.11) Н
 Определим величину радиального усилия Р2, Н
  ,         (5.12)
  Н
 Определим изгибающий момент в наиболее погруженном сечении
 Мизгmax, Н·м
  ,        (5.13)
где b – расстояние от места приложения радиальной нагрузки к валу довыточки на нем. b=0,2 м.
  Н м
 Определим высоту шлицев t, мм
  ,          (5.14)
где dср – средний диаметр шлицев. dср=28 мм.
  мм
 Определим момент сопротивления изгиба W, мм2
,        (5.15)
где dвн – внутренний диаметр шлицев. dвн=26 мм;
 а – ширина шлица.а=6мм.
  мм2
 Определим напряжение изгиба в опасном сечении δиз, Н/мм2
  ,         (5.16)
  Н/мм2
 Определим момент сопротивления кручения Wк, мм3
         (5.17)
где d – средний диаметр вала. d=30 мм.
  мм3
 Определим напряжение кручения τ, Н/мм2
  ,         (5.18)
  Н/мм2.
 Определим результирующее напряжение, необходимо нахождение по формуле (из теории предельных напряженных состояний по О. Мору) σэкв, МПа
  ,         (5.19)
  МПа
 Определим запас прочности по пределу текучестиσТ
  ,          (5.20)
гдеσТ – предел текучести материала. σТ=800 МПа.
 

 5.2 Расчет колеса электроцентробежного насоса

 Определим внешний диаметр втулки dвт, м.
  ,          (5.21)
  м
 Определим частоту вращения вала n1, с-1
  ,          (5.22)
где k – поправочный коэффициент в зависимости от ускорения вала в начале момента вращения;k=1,8.
  с-1
 Определим коэффициент быстроходности ns
  ,        (5.23)
где Нст – напор, развиваемый насосом. Нст=1188,33 м;
 g – ускорение свободного падения. g=9,8 м/с2;
 Q – дебит скважины. Q=0,00032 м3/с.
 
 Определим объемный КПД, ηоб
  ,        (5.24)
 Определим расход жидкости в каналах рабочего колеса QК, м3/с
  ,          (5.25)
  м3/с
 Определим осевую скорость жидкости у входа в колесо С0, м/с
  ,        (5.26)
  м/с
 Определим диаметр входа в колесо Dо, м.
  ,       (5.27)
где dвт – внешний диаметр втулки. dвт=0,0312 м.
  м
 Определим радиус колеса у входной кромки лопасти Di, м
  ,         (5.28)
  м
 Определим ширину канала рабочего колеса у входной кромки лопасти b1, м
  ,         (5.29)
где Сот – скорость потока на входе у лопастей до стеснения ими проходного сечения, равна Со – осевая скорость жидкости. Со=1,325 м/с2.
м.
 Определим окружную скорость U1, м/с
  ,          (5.30)
где ω – угловая скорость. w=34 с-1.
  м/с.
 Определим коэффициент окружной скорости на входе С1m, м/с
  ,         (5.31)
где R1 - коэффициент стеснения в пределах от 1,1 до 1,25, выбираем R1=1,25.
 
 Определим угол β1
  ,         (5.32)
 
 откуда β1 = 58061’ (определяем по справочнику Брадеса)
 Определим угол входной кромки лопасти β1л
  ,         (5.33)
где δ – угол атаки в пределах от 50 до 100, принимаем 70

 Определим напор на трех колесах Нт, м
,           (5.34)
где Н – напор насоса. Н=1188,33м;
 Z – число ступеней насоса. Z=286;
 3 – числосекций.

 Определим угловую скорость ω, с-1
,         (5.35)
с-1
 Определим окружную скорость, U2, м/с
,         (5.36)
где С2u – коэффициент окружной составляющей абсолютной скорости жидкости при выходе из колеса определяется по следующей формуле:
,         (5.37)
где ρк – коэффициент реакции для насосов в пределах от 0,7 до 0,75, принимаем 0,7.

м/с.
 Определим диаметр колеса D2, м.
,         (5.38)
м

5.3 Расчет корпуса клапана на прочность

 Корпус клапанного узла выполняется в виде стальной трубы. На клапанный узел действует осевая сила равная весу всей скважинной установки, а также вес столба жидкости в колонне НКТ.
 Qуст=20700Н (вес компенсатора + вес электродвигателя + вес протектора +вес трех секций насоса).
 Определим вес жидкости в трубах, Н
,         (5.39)
где  плотность жидкости. =0,85 кг/м3;
 g-ускорение свободного падения. g=9.8 м/с2;
 dвн-внутренний диаметр труб. dвн=0.076 м;
 Н-глубина спуска насоса. Н=1000 м.

 На клапан действует осевая сила равная
Q=Qуст+P=20700+37769=58469 Н
 Определим напряжение в опасном сечении корпуса клапанного узла
,          (5.40)
где Fоп – площадь опасного сечения корпуса, м2.

для стали марки Е
Корпус клапанного узла необходимо изготовить из стали марки Е

5.4 Методика расчета коэффициента сепарации центробежного газосепаратора

Коэффициент сепарации газа К_с можно рассчитать как
K_C=Q_g2/(Q_g1+Q_g2 )=(d_i^2-d_1^2)/(d_2^2-d_1^2 )     (5.41)
Уравнение баланса сил (в радиальном направлении движется поток жидкости без ускорения)
F ⃗_d+F ⃗_p=0 ,     (5.42)
где F_d=1/2 C_d∞ ρ_L A_d V_sy |V ⃗_s | ,      (5.43)
где A_p=π (d_p^2)⁄4 – площадь поперечного сечения пузырька газа;
d_p,r_d – диаметр, радиус пузырька газа;
C_d∞,ρ_L - коэффициент гидродинамического сопротивления и плотности жидкой фазы;
V ⃗_s – вектор скорости проскальзывания.
Сила от перепада давлений, вызванная воздействием центробежных сил равна
F_p=¬-B_d dP/dy ,     (5.44)
где B_d=1/6 πd_p^3 – объем пузырька газа;
dP⁄dy – градиент давления от центробежных сил.
Решая совместно уравнения (5.40) и (5.42) , получим выражение для скорости проскальзывания пузырька газа в радиальном направлении
V_sy=-8/3 r_d/(C_d∞ ρ_L |V ⃗_s | ) dP/dy ,
где C_d∞=24/Re – корреляция для коэффициента гидродинамического сопротивления единичного всплывающего пузырька газа;
Re=2r_d |V ⃗_s | ρ_L⁄μ_L – число Рейнольдса;
μ_L – динамическая вязкость жидкой фазы.
Окончательно выражение длярасчет скорости проскальзывания газа в радиальном направлении имеет вид
V_sy=2/9 (r_d^2)/μ_L dP/dy   (5.45)
Действительная радиальная составляющая скорости пузырька газа определяется как
V_g=V+V_sy,      (5.46)
где V-радиальная составляющая скорости жидкой фазы;
V_sy – скорость проскальзывания пузырька газа в радиальном направлении
Продольная составляющая скорости движения пузырька газа определяется как
u_g=u+u_sx ,      (5.47)
где u- продольная составляющая скорости жидкой фазы;
u_sx – продольная составляющая скорости проскальзывания фаз.
В продольном (вертикальном) направлении на пузырек газа действуют силы: сила гидродинамического сопротивления F_d ;
сила от продольного градиента давления dP⁄dx;
выталкивающая сила F_b; сила тяжести F_g.
Уравнение баланса сил имеет следующий вид:
F ⃗_d+F ⃗_b+F ⃗_g+F ⃗_p=0,      (5.48)
где F_d=-1/2 C_d∞ ρ_L A_p u_sz |V ⃗_s |;     (5.49)
F_b=B_d ρ_L |g|;    (5.50)
F_g=-B_d ρ_g |g|; (5.51)
F_p=-B_d dP/dx (5.52)
где ρ_g- плотность газовой фазы.
Окончательно уравнение для продольной составляющей скорости проскальзывания пузырька газа определяется как
u_sx=1/12 (B_d [(ρ_L -├ ρ_g )|g|-├ dP/dx] d_p )/(A_d μ_L ) (5.53)
Уравнение для расчета траектории движения пузырька газа можно получить из выражений
dx=u_g dt ; dy=V_g dt
в виде
dy/dx=V_g/u_g     (5.54)