Расчетная часть-Расчет центробежного насоса ЦНМ-13-140-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет центробежного насоса ЦНМ-13-140-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

5. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
5.1. Исходные данные:
5.1.1. Частота вращения вала – n = 30, сек -1;
5.1.2. Размеры рабочего колеса (рис.12):
 D1 = 0.100 м – диаметр входа жидкости в рабочее колесо;
 D2 = 0.250 м – диаметр выхода жидкости из рабочего колеса;
 b1 = 0.015 м – ширина канала на входе жидкости в рабочее колесо;
 b2 = 0.010 м – ширина канала на выходе жидкости из рабочего колеса;
 z = 7 – число лопаток на входе;
 δ2 = 0.005 – толщина лопатки на выходе;
 β1 = 350, β2 = 270 – конструктивные углы лопатки на входе и выходе.
5.1.3. Принимаем:
 α1 = 900 – угол входа жидкости в колесо.
5.1.4. Коэффициенты полезного действия при оптимальном режиме:
 ηо = 0,97 – объёмный КПД;
 ηг = 0,90 – гидравлический КПД;
 ηд = 0,93 – дисковый КПД;
 ηм = 0,97 – механический КПД.
5.1.5. Параметры перекачиваемой жидкости:
 ρ = 1000, кг/м3 – плотность воды;
 ρн = 860, кг/м3 – плотность нефти;
 γ=3 см2/с


Рис. 12 Рабочее колесо
5.2. Ход расчёта
Расчёт ведётся для оптимального режима, полагая, что при этом режиме углы потока совпадают с конструктивными углами рабочего колеса.

5.2.1. Строим план скоростей на входе в рабочее колесо (рис. 13) по углам β1к = β1 и окружной скорости U1:
U1 = π*D1*n = 3.14*0.1*30 = 9,42 м/с;
Масштаб плана: μ_U1=U_1/L_U1 =9,42/94=0,1 (м/с)/мм.
Измерив соответствующие векторы, вычислим скорости С1 и W1:
C_1=C_1m=L_C1*μ_U1=65,82*0,1=6,58 м/с
W_1=L_W1*μ_U1=114,75*0,1=11,475 м/с









Рис. 13 План скоростей на входе в рабочее колесо
5.2.2. Расход жидкости внутри колеса:
Q1 = C1m*F1 = 6,58*4,71*10 -3 =0.031 м3/с;
где C1m – меридиональная скорость на входе, определяемая по треугольнику скоростей на входе (рис.2);
 F1 – площадь проходного сечения рабочего колеса на входе.
 F1 = π*D1*b1 = 3.14*0.100*0.015=4,71*10 -3 м2.
5.2.3. Производительность насоса при оптимальном режиме:
Qопт = Q1*no =0.031*0.97= 0,0301 м3/с,
где no - объемный КПД.
5.2.4. Строим план скоростей на выходе жидкости из рабочего колеса (рис. 14):
Окружная скорость:
U2 = π*D2*n = 3.14*0.250*30 = 23,55 м/с;
Меридиональная скорость:
С2м = Qопт/F2 = 0.0301/0.0075=4,01 м/с;
Где F2 = (π*D2 – δ2*z)*в2 = (3,14*0,250-0,005*7)*0,010=7,5*10 -3 м2;
Окружная составляющая относительного межлопаточного вихря определяется по формуле А.Стодола:
W2 = (U_2*sinβ_2k*π)/z=(23,55*sin27*3,14)/7 =4,796 м/с;
Масштаб плана: μ_U2=U_2/L_U2 =23,55/117,75=0,2 (м/с)/мм.
L_C2m=C_2m/μ_U2 =4,01/0,2=20,05 мм;
L_∆W2=〖∆W〗_2/μ_U2 =4,796/0,2=23,98 мм;






Рис. 14 План скоростей на выходе из рабочего колеса
Измерив необходимые векторы определим соответствующие скорости W2, W2`, C2 и С2U.
W_2=μ_U2*L_W2=0,2*45,486=9,097 м/с
W_(2`)=μ_U2*L_(W2`)=0,2*67,73=13,55 м/с
C_2U=μ_U2*L_C2U=0,2*53,24=10,65 м/с
C_2=μ_U2*L_C2=0,2*57,12=11,4 м/с
5.2.5. Вычислим удельную работу лопаток:
Li = U2*C2u = 23,55*10,65=250,8 м2/с2;
где С2u – проекция абсолютной скорости С2 на окружную. Определяется по плану скоростей на выходе (рис. 3).
Полезная удельная работа насоса:
Ln = Li* ηг = 250,8*0.9=225,7 м2/с2,
где ηг - гидравлический КПД.
Полезный напор насоса:
H = Ln/g = 225,7/9.81=23 м,
где g - ускорение свободного падения (g = 9.81 м/с2).
5.2.6. Вычислим коэффициент быстроходности насоса для оптимального режима:
ns = (60*3.65*n*√(Q_опт ))/H^(3⁄4) =(60*3,64*30*√0,0301)/〖23〗^(3/4) =110,17

5.2.7. Расчёт уточнённых значений производительности и удельной энергии. По ns и рис. 15 находят вероятные значения коэффициентов полезного действия для оптимального режима, по которым вычисляются уточнённые значения производительности и полезной удельной энергии, полезного напора.
Уточнённые коэффициенты полезного действия при оптимальном режиме:
 ηо = 0,985 – уточнённый объёмный КПД;
 ηг = 0,96– уточнённый гидравлический КПД;
 ηд = 0,965 – уточнённый дисковый КПД;
 ηм = 0,975 – уточнённый механический КПД.
Уточнённый общий КПД:
 ηобщ = ηо* ηг* ηд* ηм = 0,889
Уточнённая производительность насоса при оптимальном режиме:
 Qопт = Q1*no = 0,0301*0,985=0,0296 м3/с;
Полезная удельная работа и полезный напор насоса:
 Ln = Li* ηг = 250,8*0,96=240,77 м2/с2;
 H = Ln/g = 240,77/9,81=24,5 м;

Рис. 15 Уточнённые оптимальные значения коэффициентов полезного действия

5.2.8. Мощность на валу насоса
Используя уточнённые значения Qопт и Ln, определяем мощность на валу насоса:
 N = Ln*ρ*Qопт/ ηобщ = (240,77*1000*0.0296)/0,889=8,1 кВт.
5.2.9. Построение комплексной характеристики насоса при работе на воде.
Зная коэффициент быстроходности ns, находим по рис. 16,17,18 соответствующие данному насосу кривые в относительных координатах.

Номера у кривых на рис 16,17,18 соответствуют:
1 – ns = 40÷80;
2 – ns = 80÷150;
3 – ns = 150÷300;
4 – ns = 300÷600;
5 – ns – более 600.
Значения берем по кривой No2,так как ns=110,17
Требуется построить эти кривые в размерных координатах. Для чего необходимо относительные координаты умножить на соответствующие значения рассчитанных выше оптимальных параметров насоса. Для удобства значения в относительных и размерных координатах сведем в таблицу 8.
Таблица 8
Относительные координаты Q 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
 H 1 1,12 1,15 1,14 1,12 1 0,85
 N 0,5 0,64 0,72 0,82 0,92 1 1,06
 η 0 0,35 0,62 0,82 0,96 1 0,92
Размерные координаты Qв, м3/с 0 0,00592 0,01184 0,01776 0,02368 0,0296 0,03552
 Hв, м 24,5 27,44 28,175 27,93 27,44 24,5 20,825
 Nв, кВт 4,05 5,184 5,832 6,642 7,452 8,1 8,586
 ηв 0 0,311 0,551 0,729 0,853 0,889 0,818

Рис. 16 Зависимость Q-H в относительных величинах



Рис.17 Зависимость Q-N в относительных величинах



Рис. 18 Зависимость Q-η в относительных величинах

Используя полученные значения, строим комплексную характеристику насоса при работе на воде.



5.2.10. Пересчет характеристики насоса с воды на нефть.
1. Пересчет ведем по поправочным коэффициентам kQ, kL, kη, которые определяются по рис.19 в зависимости от числа Рейнольдса:
Rэ=Qопт/(γ *Dэ)=0,0296/(0,0003*0.0977)=1,04*103
где Qопт – производительность насоса при оптимальном режиме и работе на воде,
Dэ – эквивалентный диаметр, вычисляемый из соотношения:
;D_э^2=√((4*F_2)/π)=√((4*0,0075)/3,14)=0,0977
где γ – коэффициент кинематической вязкости, м2/сек.





Рис.19 График коэффициентов пересчета характеристик
центробежных насосов с воды на вязкие жидкости

Согласно рис. 19 определяем, что:
kQ=0,86; kН=0,91; kη=0,6.
2. Из соотношений
; ;
определяем оптимальные значения полезной удельной работы, напора, КПД при работе насоса на нефти.
Q_нефти=k_Q*Q_воды=0,86*0,296=0,0255 м3/с.
H_нефти=k_H*H_воды=0,91*24,5=22,3 м.
η_нефти=k_η*η_воды=0,6*0,889=0,533.
3. Полезную мощность при работе насоса на нефти вычислим по формуле:
N_нефти=(H_нефти*g*ρ_нефти*Q_нефти)/η_нефти =(22,3*9,81*860*0,0255)/0,533=9 кВт.

4. Построение сводной комплексной характеристики насоса при работе на нефти и воде.
Комплексная характеристика строится по точкам, близким к оптимальной 0,8Qопт, Qопт,1,2Qопт. и нулевой точке (Q=0). Известно, что при Q=0 напор насоса при работе на нефти равен напору насоса при работе на воде. Для нахождения значений использую уже известные безразмерные координаты.
Полученные значения свожу в таблицу 9.
Таблица 9
Относительные координаты Q 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
 H 1 1,12 1,15 1,14 1,12 1 0,85
 N 0,5 0,64 0,72 0,82 0,92 1 1,06
 η 0 0,35 0,62 0,82 0,96 1 0,92
Размерные координаты Qн, м3/с 0 0,0051 0,0102 0,0153 0,0204 0,0255 0,0306
 Hн, м 22,3 24,98 25,65 25,4 24,98 22,3 18,96
 Nн, кВт 4,5 5,76 6,48 7,38 8,28 9 9,54
 ηн 0 0,187 0,33 0,437 0,512 0,533 0,49


5. По полученным значениям строим комплексную характеристику для насоса при работе на нефти. Провожу сравнительную характеристику.





6. Суммарная характеристика параллельного и последовательного соединения насосов при перекачке воды
а) При параллельном соединении (таблица 10):
Qсум = Q1 + Q2; м3/с
Нсум = Н1 = Н2; м/с
Таблица 10
Относительные координаты Q 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
 H 1 1,12 1,15 1,14 1,12 1 0,85
Напор на выходе из первого насоса QH1 0 0,0051 0,0102 0,0153 0,0204 0,0255 0,0306
Напор на выходе из второго насоса QH2 0 0,0102 0,0204 0,0306 0,0408 0,0510 0,0612
Подача на выходе из первого и второго насоса HH 22,3 24,98 25,65 25,4 24,98 22,3 18,96

Данному режиму работы соответствует следующая комплексная характеристика насоса:









б) При последовательном соединении (таблица 11):
Qсум = Q1 = Q2; м3/с
Нсум = Н1 + Н2; м/с
Таблица 11
Относительные координаты Q 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
 H 1 1,12 1,15 1,14 1,12 1 0,85
Напор на выходе из первого и второго насоса QH 0 0,0051 0,0102 0,0153 0,0204 0,0255 0,0306
Подача на выходе из первого насоса HH1 22,3 24,98 25,65 25,4 24,98 22,3
18,96
Подача на выходе из второго насоса HH2 44,6 49,96 51,13 50,8 49,96 44,6 37,92

Данному режиму работы соответствует следующая комплексная характеристика насоса: