Расчетная часть-Расчет центробежного насоса ЦНС-180-1900-4-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет центробежного насоса ЦНС-180-1900-4: Разгрузочное устройство для секционного центробежного насоса, Расчет и выбор электромеханического оборудования, Определени необходимого давления нагнетаемой воды, Расчёты на прочность и долговечность основных элементов насоса, Расчет сил действующих на поршень импеллера, расчет шпоночных соединений, Расчет болтов вала., Расчет вала на прочность-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

3 Выбор прототипа и разработка структурной и компоновочной схем узла разгрузки от осевых сил.
Рассмотрев выбранные патенты я выбрал для модернизации патент No1038586 т.к. он направлен на возможность автоматической разгрузки рабочего колеса от действия осевой силы в широком диапазоне работы насоса, а также применение импеллера позволяет избавится от быстро изнашивающихся деталей гидропяты. Что повышает надежность насоса.
Структурная схема узла разгрузки представлена на рис 3.1


Рис. 3.1. Структурная схема узла разгрузки от осевых сил: П – поршень, ПЛ – пальцы, ВПМ – втулка приводного механизма, ПМ – приводной механизм, С – ступица импеллера, Л – лопатки импеллера.

В данной структурной схеме работа узла разгрузки от осевых усилий осуществляется следующим образом: под действием давления жидкости поршень (П) перемещается в лево вместе с пальцами (ПЛ) и втулкой приводного механизма ( ВПМ) через приводной механизм (ПМ) оказывает давление на ступицу импеллера (С) что приводит к повороту лопаток импеллера (Л) поворот лопаток импеллера (Л) приводит к изменению их ширины, позволяющему за счет изменения насосного эффекта импел¬лера и осевых зазоров между импеллером и рабочим колесом регулировать осевую силу в насосе.

Рис. 3.2. Компоновочная схема узла разгрузки: : 1 – поршень, 2 – втулка приводного механизма, 3 – пальцы, 4 – приводной механизм, 5 – лопатки импеллера.












4. Разгрузочное устройство для секционного центробежного насоса.
4.1 Исходные данные Харвутинского месторождения для подбора оборудования.
Дебит добывающих скважин – 480 м3 /сут.
Глубина расположения пласта – 2165 м.
Количество нагнетательных скважин – 4
Плотность нагнетаемой воды – 1000 кг/м3
4.2. Основные положения технического задания на центробежный насос типа ЦНС.
1. Наименование и область применения
1.1 Наименование изделия и его шифр – центробежный насос типа ЦНС М
1.2 Назначение и область применения.
Центробежный насос предназначен для закачки воды в пласт под давлением для поддержания пластового давления.
1.3 Возможность использования изделия для поставки на экспорт.
Центробежный насос типа ЦНС М
может поставляться на экспорт самостоятельно при наличии патентной чистоты по стране поставок.
2 Основание для разработки.
2.1 Организация, утвердившая документ.
Кафедра НГМО, в лице заведующего кафедрой Сысоева Н.И.
2.2 Тема, этап отраслевого и тематического плана в рамках которого будет выполняться задание - дипломный проект.
3 Цель и назначение разработки .
3.1 Заменяемое старое или создание нового – модернизация гидравлического разгрузочного устройства центробежный насос типа ЦНС М в сравнении с прототипом.
3.2 Ориентировочная потребность по годам с начала серийного производства – 1 шт. для кафедры НГМиО ЮРГТУ, дальнейший выпуск по заказам предприятий.
3.3 Источники финансирования - предприятия - заказчики.
3.4 Количество и сроки изготовления – 1 шт. до 2.10.09 для кафедры НГМиО ЮРГТУ, в дальнейшем оговариваются с заказчиком.
3.5 Предполагаемые исполнители – инженеры, УВП и студенты кафедры НГМиО Поляков Константин Сергеевич, Самарский “Завод НГПО”.
4 Источники разработки.
4.1 Протоколы лабораторных и производственных испытаний - отсутствуют.
4.2 Конструктивные проработки – конструкторская и нормативная документация, требования по эксплуатации.
 4.3 Перечень других источников:
Чичеров Л.Г. ,Молчанов Г.В. Абинович А.М. Расчёт и конструирование нефтепромыслового оборудования.М.:Недра,1987,422 с.
Братченко Б. Ф. “Справочник по стационарным машинам” Москва 1976г
Попов В. М. “Водоотливные установки. Справочное пособие” Москва “Недра” 1990г.
5 Технические требования.
 5.1 Стандарты и нормативно - техническая документация - Конструкторская и нормативная документация, требования по эксплуатации центробежный насос типа ЦНС М
5.2 Состав изделия, требования к устройству
Центробежный насос типа ЦНС М включает в себя: Корпус насоса, рабочие колёса, направляющие аппараты, корпус направляющего аппарата, вал, всасывающий и нагнетательный коллекторы, монтажную раму, подшипниковые опоры, узел разгрузки от осевых сил.
5.3 Требования к показателям назначения, надёжности и ремонтопригодности.
Центробежный насос типа ЦНС М должен удовлетворять следующим требованием :
-простота конструкции необходимая для достижения высокой работоспособности оборудования.
-надежность оборудования, определяемая временем безотказной работы буровой установки. Обеспечивает безаварийное функционирование механизмов в течении расчетного времени.
-долговечность машин, механизмов и их деталей, представляющая собой время безотказной работы в нормальных условиях в часах, соответствующая межремонтному сроку или кратная ей, определяет сроки физического износа, соответствующего определенным технико-экономическим показателям.
-ремонто-способность оборудования должна создавать возможность реставрации или замены отдельных быстроизнашивающихся деталей или узлов непосредственно в промысловых условиях или в условиях механических мастерских буровых предприятий.
-стандартизация и унификация, обеспечиваемая созданием ГОСТов на отдельные машины, механизмы и инструменты, приводит к конструктивному единообразию оборудования, уменьшению числа их типоразмеров и определению эксплуатационных параметров. Стандартизация, унификация и нормализация способствует значительному упрощению эксплуатации машин, облегчению ухода за оборудованием и их ремонтов. Уменьшению номенклатуры запасных частей
5.4 Требования к унификации:
Основные сборочные единицы ЦНС М, должны быть максимально унифицированы с аналогичными узлами ЦНС
5.5 Требования к безопасности эксплуатации ЦНС М необходимо выполнять в соответствии с правилами безопасности в нефтегазовой отрасли, правилами технической эксплуатации электроустановок, правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок и требованиями инструкций.
Эргономические и эстетические требования. Эргономические показатели должны обеспечить максимальную эффективность, безопасность и комфортность труда.
Требования к патентной чистоте – ЦНС М должен обладать патентной чистотой по странам СНГ, бывшим СЭВ, США, Англии, Франции, Японии, Германии.
5.6 Требования к номенклатуре изделия –направляющий аппарат, корпус направляющего аппарата, рабочие колеса изготавливают из стали 45Л, а вал изготавливают из стали 45Х.
5.7 Требования к эксплуатации – ЦНС М должен быть рассчитан на длительную безотказную работу, для чего необходимо выполнение следующих требований :
1) допускается эксплуатация только в соответствии с технической характеристикой , перегрузки не допускаются ;
2) своевременная и правильная смазка узлов ЦНС М в соответствии с картой смазки ;
своевременный осмотр, подтяжка креплений, регулировка механизмов, замена быстроизнашивающихся деталей ;соблюдение других требований ведомственных инструкций, действующих в отрасли, по эксплуатации.
6.Экономические показатели.
6.1. Ориентировочный экономический эффект от применения одного– центробежный насос типа ЦНС в данном проекте не подсчитывается.
6.2. Срок окупаемости затрат – в данном проекте не подсчитывается.
6.3. Лимитная цена- в данном проекте не подсчитывается.
6.4. Предполагаемая потребность по заказам предприятий.
7. Стадии и этапы разработки.
7.1. Разработка конструкторской документации для изготовления опытной партии Центробежный насос типа ЦНС М до 2.10.09
7.2. Изготовление и предварительные испытания опытного центробежный насос типа ЦНС М
7.3. Приёмочные испытания опытной партии центробежный насос типа ЦНС М
7.4. Корректировка конструкторской документации на установочную серию.
7.5. Изготовление установочной серии Центробежный насос типа ЦНС М


4.3 Расчет и выбор электромеханического оборудования.

4.3.1 Расчет необходимого количества воды для поддержания пластового давления.


qн - средний дебит одной нагнетательной скважины м3/ч; bв - объемный коэффициент нагнетаемой воды, учитывающий увеличение объема воды при нагревании до пластовой температуры и уменьшение ее объема при сжатии до пластового давления (для обычных пластовых температур и давлений bв = 1,01); Qн - объемная добыча нефти (суммарный дебит) при стандартных условиях м3/ч; bн - объемный коэффициент нефти, учитывающий ее расширение за счет растворения газа, повышения температуры и незначительное сжатие от давления. ( bн = 1,05 - 1,30; Qв - объемная добыча извлекаемой из пласта воды, измеренная при стандартных условиях; bв' - объемный коэффициент извлекаемой минерализованной воды( bв = 1,01 ), Qут - объемный расход воды, уходящей во внешнюю область (утечки) м3/ч; k - коэффициент, учитывающий потери воды, при периодической работе нагнетательных скважин на самоизлив, при порывах водоводов и по другим технологическим причинам. Обычно коэффициент k = 1,1 - 1,15.

Qн - объемный расход нагнетаемой воды м3/ч, n – количество нагнетательных скважин.

4.3.2. Определени необходимого давления нагнетаемой воды.

Pн > P
Рн – давление нагнетания МПа. Р – давление создоваемое столбом жидкости в добывающей скважине МПа.
Р=ρсм×g×H=848×9.8×2165=17.9 МПа
ρсм – плотность ГЖС кг/м3 , g – ускорение свободного давления м/с2 , Н – глубина скважины м.
Определим необходимый напор насоса

Где Н- необходимый напор насоса, м; ρ – плотность нагнетаемой жидкости, кг/м3.
По необходимому напору и расходу жидкости из каталога выбираю центробежный насос типа ЦНС – 180 – 1900.
Расход насоса 180 м3/ч,
Напор насоса 1900 м,
Напор одной секции 158 м,
Развиваемое давление 18,6 МПа,
Количество секций 12.
Приводом для данного насоса служит синхронный электродвигатель мощьностью 1600 кВт и частойтой вращения вала 2840 об/мин.
Характеристики данного насоса представлены на рис. 4.1.


Рис4.1. Характеристика насоса ЦНС М 180-1900.

4.3.2. Расчет сил действующих на поршень импеллера

Расчёт усилия действующего на поршень в зоне всасывания:

ρ- плотность жидкости, z1 – количество секций до колеса с импеллером, P – давление жидкости на поршень.

S – площадь поршня.

D – диаметр поршня = 0,062 м.
Расчёт усилия действующего на поршень в задисковой полости:






4.4 Расчёты на прочность и долговечность основных элементов насоса.
4.4.1 расчет пальцев импеллера.
Расчет пальца импеллера на прочность если максимальное действующие усилие F=F2-F1= 0,056-0.051= 0.005 МН. Материал для пальца Сталь 10, σТ=200 МПа.
Для расчета пальца импеллера принимаем следующие данные D=10 мм; l=42 мм.
Палец импеллера подвергается напряжениям изгиба и среза.
Определяем напряжение изгиба по формуле:

Mиз – изгибающий момент, Н*м

P – усилие прикладываемое к пальцу, Н
l – длина пальца, м

Wиз – момент сопротивления изгибу

d – диаметр поршня, мм

МПа
[σиз]=(0,4-0,5)σТ
[σиз]=(0,4-0,5)*200=80 МПа
Определяем коэффициент запаса прочности
что достаточно
Необходимый коэффициент запаса прочности n=(3-5)
Определяем напряжение среза:

F – внешняя сила, Н; d – диаметр пальца, мм; i – число плоскостей среза; z – число пальцев; [τср] – допустимое напряжение на срез


Определяем коэффициент запаса прочности
что достаточно
Необходимый коэффициент запаса прочности n=(3-5)

4.4.2. расчет шпоночных соединений

Рассчитывают шпонку как наиболее слабую деталь соединения. Размеры стандартных шпонок подобраны из условия прочности на смятие, поэтому основным расчетом их является проверочный расчет на смятие.
Расчет призматической шпонки
Размеры сечений шпонки (ширину b и высоту h), глубину паза t1 выбирают в зависимости от диаметра вала d.
d – диаметр вала = 102 мм, b – ширина шпонки = 24 мм, h – высота шпонки = 26 мм, t1 – глубина паза на валу = 11 мм, l – длина шпонки = 78 мм, [σсм] = 35 МПа.

Ft – окружная сила передаваемая шпонкой, Н; Асм – площадь смятия, мм2; [σсм] – допустимое напряжение на смятие, МПа.

М – крутящий момент, Н*мм; d – диаметр вала, мм.

N – мощность электродвигателя, кВт; n – частота вращения вала, об/мин.

lp – рабочая длина шпонки


Определяем коэффициент запаса прочности
что достаточно
Необходимый коэффициент запаса прочности n=(2-3)

4.4.3 Расчет болтов вала.

Расчет болтов вала на прочность если максимальный крутящий момент Мк=5093Н*м. Материал для болта Ст 10 σТ=200 МПа.
Для расчета болтов вала принимаем следующие данные D=10 мм;
Болты вала подвергаются напряжениям среза.
Определяем напряжение среза при кручении:

Мк – крутящий момент, Н*м; d – диаметр болта, мм; i – число плоскостей среза; z – число болтов; [τср] – допустимое напряжение на срез


Определяем коэффициент запаса прочности
что достаточно
Необходимый коэффициент запаса прочности n=(2-3)

Определяем напряжение среза:

F – внешняя сила, Н; d – диаметр болта, мм; i – число плоскостей среза; z – число болтов; [τср] – допустимое напряжение на срез


Определяем коэффициент запаса прочности
что достаточно
Необходимый коэффициент запаса прочности n=(3-5)

4.4.4 Расчет вала на прочность.

Вал изготовлен из Стали 40Х: σТ=750 МПа, τТ=450 МПа, наружный диаметр вала 102мм, внутренний диаметр вала 62мм в сечении Б-Б, наружный диаметр 62 в сечении А-А, крутящий момент 5093 Н*м, осевая сила 5280 Н, суммарный изгибающий момент 915 Н*м.

Рис.4.4.1 схема опасных сечений вала.
Для сечения А-А. (Рис 4.4.1)
Определение нормальных напряжений в сечении

Мmax – суммарный изгибающий момент Н*м,
W – момент сопротивления сечения вала изгибу мм3
A – площадь поперечного сечения мм2
Fmax – осевая сила Н


D – диаметр вала мм
Определение касательных напряжений

Мк max – максимальный крутящий момент
Wк – момент сопротивления сечения вала кручению
Мк max = Мк * Кп = 5093*2,2=11204,6 Н*м
Кп – коэффициент перегрузки. Для большинства асинхронных электродвигателей =2,2
Частные коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям


Общий коэффициент запаса прочности по пределу текучести при совместном действии нормальных и касательных напряжений.

Статическую прочность считают обеспеченной nТ≥[nT] где [nT] = 1.3-2
Для сечения Б-Б (Рис 4.4.1).
Определение нормальных напряжений в сечении

Мmax – суммарный изгибающий момент, Н*м,
W – момент сопротивления сечения вала изгибу, мм3
A – площадь поперечного сечения, мм2
Fmax – осевая сила, Н


D – диаметр вала мм
εW – коэффициент пересчета = 0,747
Определение касательных напряжений

Мк max – максимальный крутящий момент
Wк – момент сопротивления сечения вала кручению
Мк max = Мк * Кп = 5093*2,2=11204,6 Н*м
Кп – коэффициент перегрузки. Для большинства асинхронных электродвигателей =2,2
Частные коэффициенты запаса прочности по нормальным и касательным напряжениям


Общий коэффициент запаса прочности по пределу текучести при совместном действии нормальных и касательных напряжений.

Статическую прочность считают обеспеченной nТ≥[nT] где [nT] = 1.3-2

5.Описание конструкции устройства.


Рис. 5.1. Узел разгрузки от осевых сил с применением импеллера.

Устройство работает следующим обра¬зом (Рис5.1)

При работе центробежного насоса на рабочем колесе 1 возникает осевая сила, ко¬торая на номинальном режиме уравновешивается за счет создания со стороны не¬сущего диска лопатками 2 импеллера насосного эффекта, уменьшающего давление в боковой пазухе насоса.
При изменении режима работы насоса на рабочем колесе 1 возникает неуравно¬вешенная осевая сила, величина которой зависит от изменения давления. При этом давление будет изменяться как в задиско¬вой полости насоса, так и в сообщен¬ной с ней камере 7. При увеличении дав¬ления в полости за рабочим колесом1 давление в камере 7 также увеличивается. Поршень 6 переме¬щается влево вместе с пальцами 3 и втул¬кой 4 приводного механизма 5, поворачи¬вая лопатки 2 импеллера относительно про¬дольных осей.
Поворот лопаток 2 импеллера приводит к изменений их ширины, позволяющей за счет изменения насосного эффекта импел¬лера и осевых зазоров между импеллером и рабочим колесом 1 регулировать осевую силу в насосе.





























6.Оценка надёжности насоса.

Надежность – это свойство объекта сохранять во времени работоспособное состояние в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.
Внезапный – отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта.
Постепенный – отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта.
Отказы технологических систем связаны в основном с износом технологического оборудования, инструмента, оснастки и средств контроля, с температурными деформациями, с химическими воздействиями и являются постепенными (параметрическими) Внезапные отказы могут быть вызваны ошибками людей (наладчика, контролера), быть следствием дефектов в заготовках и комплектующих изделиях при недостаточном входном контроле и т. п. Эти отказы сводятся к минимуму при организации эффективной системы по управлению качеством.
Повышение надёжности путём избавления от разгрузочного диска который часто разрушается, а устройство импеллера не содержит быстро разрушающихся деталей, что увеличивает межремонтный период насоса. Так же для повышения надёжности болты на валу и пальцы импеллера после затяжки накерниваются, для предотвращения самопроизвольного отвинчивания.
 На случай внезапного отказа или планового ремрнта насоса с целью резервирования принимаю 2-ва насосных агрегата.