Гидромашины и компрессоры в нефтегазовом деле

Стр 1 из 5Следующая ⇒

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

И. В. МУРАДХАНОВ

Гидромашины и компрессоры в нефтегазовом деле

Учебное пособие

(курс лекций)

Ставрополь

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция 1.

1.1 Роль насосов и компрессоров в нефтяной и газовой промышленности

1.2 Общая классификация проточных машин

1.3 Классификация компрессоров

Лекция 2. Лопастные насосы

2.1 Классификация лопастных насосов

2.2 Принцип действия лопастных насосов

2.3 Типы лопастных насосов

Лекция 3. Поршневые насосы

3.1 Поршневые насосы, области применения

3.2 Классификация поршневых насосов

3.3 Принцип действия поршневого насоса

3.4 Устройство поршневых насосов

Лекция 4. Гидравлические забойные двигатели

4.1 Турбобуры: назначение, принцип действия

4.2 Рабочая характеристика турбины

4.3 Типы и конструктивные особенности турбобуров

Лекция 5. Винтовые забойные двигатели

5.1 Классификация и принцип действия винтовых забойных двигателей

5.2 Двигатели общего назначения: типы, устройство, принцип действия

Лекция 6. Турбопередачи

6.1 Характеристика турбопередач

6.2 Турбомуфты

6.3 Регулирование турбомуфт

6.4 Турботрансформатор

Лекция 7. Поршневые компрессоры

7.1 Классификация поршневых компрессоров

7.2 Принцип действия поршневых компрессоров

7.3 Типы и схемы компрессоров

Лекция 8. Роторные компрессоры

8.1 Одновальные компрессоры

8.2 Двухвальные компрессоры

8.3 Центробежные компрессоры

Лекция 9. Компрессорные установки

9.1 Состав компрессорной установки

9.2 Очистка воздуха и газа от механических примесей

9.3 Система охлаждения компрессоров

9.4 Воздухосборники, буферные емкости, предохранительные клапаны

9.5 Автоматизация компрессорных установок

Лекция 1

1.1 Роль насосов и компрессоров в нефтяной и газовой промышленности

Насосы широко применяются во всех отраслях нефтяной промышленности. При бурении применяются горизонтальные двухцилиндровые поршневые буровые насосы, развивающие давление 15 – 20 МПа, а также горизонтальные двухцилиндровые поршневые цементировочные насосы с глобоидальной передачей, развивающие давление 32 – 40 МПа.

В нефтедобыче для разных целей применяют поршневые насосы различного устройства. Так, для откачки нефти из скважин применяют глубинные штанговые плунжерные насосы и глубинные бесштанговые плунжерные гидропоршневые насосы. Для законтурного и внутриконтурного заводнений применяют многоплунжерные вертикальные насосы. Для гидравлического разрыва пласта используют горизонтальные трехплунжерные насосы, развивающие давление до 50 – 70 МПа.

При подземном ремонте скважин находят применение горизонтальные двухцилиндровые поршневые и трехплунжерные промывочные насосы. Для деэмульсации нефти в скважинах применяются вертикальные шестиплунжерные дозировочные насосы. На нефтеперерабатывающих заводах для перекачки холодных и горячих нефтепродуктов также применяют поршневые приводные насосы, но наиболее широко применяют паровые прямодействующие поршневые насосы различных конструкций.

На нефтебазах, а также для внутризаводских перекачек на нефтеперерабатывающих заводах применяют горизонтальные приводные двухцилиндровые насосы.

Для перекачки нефти и различных нефтепродуктов по магистральным нефтепроводам применяют приводные горизонтальные трехплунжерные насосы.

Область применения компрессоров непрерывно растет, так как сжатый воздух и газы требуются для ускорения разработки новых месторождений, для искусственного воздействия на пласт, для рациональной эксплуатации газоконденсатных месторождений без потерь конденсата в пласте, для осуществления сбора нефти и газа, для транспортировки газа по трубопроводам от месторождения к потребителям, для осуществления циркуляции газа в установках по извлечению пропан-бутана из попутного нефтяного газа, в установках депарафинизации и деасфальтизации масел и в ряде других случаев.

1.2 Общая классификация проточных машин

Гидравлические машины и компрессоры, используемые в нефтегазодобывающей промышленности, относятся к обширному классу проточных машин, играющих исключительно важную роль во всех областях производства. Машиной называется механизм или комплекс механизмов, предназначенный для выполнения полезной (отдаваемой) работы. Это – работа сил производственных (полезных) сопротивлений. Вследствие вредных сопротивлений в самой машине она всегда меньше затраченной (потребляемой) работы, совершаемой движущими силами.

Проточные машины отличаются от прочих тем, что процесс передачи работы у них целиком связан с потоком среды, протекающей через машину. В частности, если текучей средой является капельная жидкость, то проточные машины называются гидравлическими; если же текучая среда газообразная, то говорят о газовых или пневматических проточных машинах.

Приведенное общее определение машин полностью относится к проточным и используется для их классификации по двум основным группам в зависимости от направления передачи работы:

проточные машины – орудия, которые получают работу от приводного вала или штока, а отдают ее потоку текучей среды. К этой группе относятся насосы, служащие для создания потока жидкой среды, и компрессорные машины (то же, но для газообразных сред);

проточные машины – двигатели, которые воспринимают работу от потока жидкости или газа, а отдают ее через выводной вал. К ним относятся турбины и другие гидро - и пневмодвигатели.

Существуют агрегаты, составленные из машин обеих названных групп. В подобных системах текучая среда служит передаточным звеном, по отношению к которому проточная машина - орудие – отдающий, а машина - двигатель – приемный орган агрегата. Примеры: гидродинамическая передача, используемая в силовом приводе буровой установки; бесштанговая насосная установка, составленная из наземного силового насоса и погружного поршневого двигателя с насосом; система, состоящая из бурового насоса и забойного гидродвигателя; насосный гидропривод некоторых механизмов буровых и нефтепромысловых установок.

В зависимости от принципа действия все проточные машины делятся на два класса: динамические и объемные. В динамической машине передача работы от рабочего органа к текучей среде (или наоборот) происходит в камере, постоянно сообщающейся со входом и выходом машины. Примеры: центробежный или вихревой насос, турбина турбобура, центробежный или осевой компрессор.

Признак объемной проточной машины – периодическое изменение объема рабочей камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом машины. Примеры: поршневой насос или компрессор, роторный насос, гидромотор, винтовой или пластинчатый компрессор.

Государственный стандарт определяет насос как машину для создания потока жидкой среды. Развитие этого определения приводит к пониманию насоса как машины, предназначенной для перемещения жидкости и увеличения ее энергии. При работе насоса энергия, получаемая им от двигателя, превращается в потенциальную, кинетическую и в незначительной мере в тепловую энергию потока жидкости.

Машины для подачи газовых сред в зависимости от развиваемого ими давления называют вентиляторами, газодувками, компрессорами.

Вентилятор –машина, перемещающая газовую среду при степени повышения давления ε = 1÷ 1, 15

Газодувка –машина, работающая при ε > 1, 15 (обычно ε < 2, 5 ÷ 3), но искусственно не охлаждаемая.

Компрессор сжимает газ при ε > 1, 15 и имеет искусственное (обычно водяное) охлаждение полостей, в которых происходит сжатие газа.

В современной промышленности распространены гидро- и пневмодвигатели – машины, превращающие энергию потока текучей среды в механическую энергию (гидротурбины, гидро - и пневмомоторы).

В последнее время в различных технических устройствах употребляются гидропередачи –конструктивные комбинации, служащие для передачи механической энергии с вала двигателя на вал приводимой машины гидравлическим способом. Гидропередача состоит из насоса, гидродвигателя и системы трубопроводов с устройствами для распределения и регулирования потоков рабочей жидкости (энергоносителя). Во многих случаях все указанные элементы гидропередачи совмещаются в едином конструктивном блоке. Гидравлические двигатели, насосы и гидропередачи составляют класс гидравлических машин.

Аналогично распространены системы пневмопривода, использующие в качестве рабочей среды сжатый воздух. К очевидным преимуществам этого вида проточных машин относятся, с одной стороны, простота устройства (отсутствие необходимости в трубопроводах возврата рабочей среды низкого давления, роль которых исполняет атмосферный воздух) и удачная способность наилучшим образом удовлетворять важным требованиям экологичности применяемых технических систем.

Известными примерами таких систем являются пневматический инструмент, устройства, приспособления и прессы в металлообрабатывающей и машиностроительной промышленности, пневмосистемы управления буровыми и промысловыми установками, установками на предприятиях газо - нефтепереработки, системы пневмотормозов автотранспорта, а также в текстильной промышленности сжатый воздух используется как энергоноситель для проведения ткацкого процесса.

Классификация проточных машин по виду текучей среды и направлению передачи энергии представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Общая классификация проточных машин

Насосы подразделяют на два основных класса: динамические и объемные.

В динамических насосах передача энергии потоку происходит под влиянием сил, действующих на жидкость в рабочих полостях, постоянно соединенных с входом и вы-ходом насоса. Характерным представителем этого класса является центробежный насос.

В объемных насосах энергия передается жидкой среде в рабочих камерах, периодически изменяющих объем и попеременно сообщающихся с входом и выходом насоса. Для этого класса типичным является поршневой насос.

Среди динамических насосов, применяемых в промышленности, наиболее распространены лопастные, в которых жидкая среда перемещается под воздействием движущихся лопастей, и вихревые. В последних жидкость перемещается в тангенциальном направлении благодаря действию плоских радиальных лопастей, расположенных по периферии рабочего колеса.

1.3 Классификация компрессоров

Разнообразие областей применения обусловливает широкую номенклатуру компрессоров, отличающихся друг от друга как по давлению всасывания и нагнетания, так и по производительности и мощности привода и по исполнению.

Если для индивидуального сбора затрубного газа необходимы давление до 0, 5 МПа и мощность привода в пределах нескольких лошадиных сил, то для нагнетания газа в пласты с целью интенсификации добычи нефти и разработки газоконденсатных месторождений требуются компрессорные агрегаты, создающие давление до 40 МПа и потребляющие мощность до 4000 КВт.

Для перекачки газа по магистральным трубопроводам требуются компрессоры с давлением нагнетания до 6 МПа и мощностью привода до 4000 КВт, в то время как для внутрипромыслового транспорта нужно давление 3 – 5 МПа и мощность привода 100 – 300 КВт.

Если для перечисленных выше целей требуются стационарные компрессоры, то для испытания строящихся магистральных трубопроводов, для бурения скважин с продувкой забоя воздухом или газом, для освоения скважин требуются мощные передвижные компрессорные станции различной производительности и с давлением нагнетания от 2 до 8МПа, аиногда до 15 – 20 МПа

Все машины, служащие для сжатия и перемещения воздуха и газа, можно разделить на следующие виды.

1. По принципу действия – на объемные и центробежные машины.

2. По назначению – на стационарные и передвижные.

3. По давлению, на которое рассчитаны машины, на следующие группы:

а) вакуум-компрессоры, откачивающие газ из пространства, где давление ниже атмосферного, и нагнетающие его в пространство с атмосферным давлением; когда нагнетание происходит в пространство с давлением выше атмосферного;

б) вентиляторы – машины, сжимающие газ или воздух до 0, 015 МПа

в) газодувки, предназначенные для сжатия рабочего агента до 0, 2 МПа

г) компрессоры низкого давления, рассчитанные на создание давления 0, 2-1 МПа;

д) компрессоры среднего давления, рассчитанные на 1 – 10 МПа;

е) компрессоры высокого давления – на 10 – 100 МПаи выше.

Компрессоры среднего и высокого давления иногда предназначены для сжатия газа или воздуха, начальное давление которых в несколько раз превышает атмосферное. Такие компрессоры называются дожимающими.

Объемные и центробежные машины отличаются друг от друга по принципу действия.

Основным признаком объемных машин является то, что сжатие газа в них осуществляется в замкнутой полости, объем которой периодически изменяется. К этой категории машин относятся поршневые, ротационные, диафрагменные и винтовые компрессоры.

В центробежных машинах сжатие производится путем непрерывного сообщения газу большой скорости, которая затем преобразуется в давление. К этой группе машин относят и осевые компрессоры в которых в отличие от центробежных перемещение газа и сообщение ему скорости происходят вдоль оси вала машины.

Стационарные и передвижные компрессоры принципиально друг от друга не отличаются. Однако последние для уменьшения габаритов и веса делаются более быстроходными, имеют автономную систему охлаждения и обычно приводятся в действие от двигателя внутреннего сгорания.

Лекция 2. Лопастные насосы

2.1 Классификация лопастных насосов

По принципу действия: лопастные насосы разделяются на центробежные, осевые и вихревые. Некоторые конструкции построены на совмещении различных принципов (например, центробежно-осевые, центробежно-вихревые и другие).

Кроме того, лопастные насосы классифицируются:

1) по расположению оси вала – горизонтальные и вертикальные;

2) по числу рабочих колес – одноколесные и многоколесные. Последние могут иметь колеса, действующие последовательно (многоступенчатые насосы) или параллельно (многопоточные насосы);

3) по способу соединения с двигателем – моноблок-насосы, соединенные при помощи муфты, и приводные (со шкивом или редуктором);

4) по назначению – насосы общего назначения (для воды с температурой до 105° С, а также для жидкостей, имеющих сходные с водой свойства в отношении вязкости и химической активности) и насосы, приспособленные к специальным жидкостям или условиям работы.

Существуют также разграничения насосов в зависимости от конструкции рабочих колес и отводов, от расположения опор и конструкции корпуса.

2.2 Принцип действия лопастных насосов

Лопастной насос является обращенной турбиной в том смысле, что его лопастная система передает работу жидкости, а не воспринимает ее. Можно выделить три основных типа насосов с различным принципом действия: центробежный, осевой и вихревой.

Рисунок 2.1 – Схема центробежного насоса

В центробежном насосе (рис. 2.1) используется радиальная решетка лопастей, оформленная в виде рабочего колеса. Жидкость, проходя через лопасти, получает вращательное движение и под действием центробежных сил выбрасывается в один или несколько периферийных каналов, служащих для плавного отвода в напорный расширяющийся патрубок (диффузор). Здесь скорость жидкости снижается, а давление увеличивается. Вокруг ступицы рабочего колеса создается область пониженного давления, благодаря чему возникает постоянный приток жидкости из подводящего патрубка насоса.

В осевом насосе (рис. 2.2) решетка осевая, а поток жидкости параллелен оси вращения, как в прямоточной турбине. Возникновение движения жидкости в осевом насосе можно объяснить, представив лопатку как элемент многозаходного, по числу лопаток, винта.

Рисунок 2.2 – Схема осевого насоса

Центробежно-осевые насосы (или полуосевые) основаны на совмещении двух рассмотренных выше принципов, и благодаря их существованию строгая граница между центробежными и осевыми насосами отсутствует.

Принцип действия вихревого насоса отчетливо выявляется в конструкции, изображенной на рис. 2.3. Кольцевая полость 1 соединена с всасывающим и нагнетательным патрубками. В этой полости жидкость увлекается в круговое движение посредством своеобразного «трения», создаваемого интенсивным перемешиванием жидкости между межлопаточными ячейками рабочего колеса 2 и примыкающим к нему боковым каналом. Как показано в сечении а—а, под действием центробежных сил по периферии колеса возникает циркуляционное вихревое течение. На него накладывается второе течение, вызванное давлением лопаток на жидкость, т. е. перепадом давления на передней и задней сторонах лопаток; относительно движущегося колеса. Обмен импульсами за счет вторичных течений столь интенсивный, что при равных размерах и скоростях вращения вихревой насос преодолевает более высокий перепад давления, чем центробежный насос.

Рисунок 2.3 – Схема вихревого насоса

В отличие от объемных лопастные насосы не обладают способностью самовсасывания. Воздух, первоначально находящийся во всасывающей трубе, не может быть откачан самим насосом до создания вакуума, достаточного для подъема жидкости и заполнения ею насоса. Поэтому перед пуском лопастной насос заливают жидкостью извне или же снабжают вспомогательным вакуум-насосом или эжектором.

Среди лопастных насосов вихревой насос в этом отношении составляет исключение, так как специальным расположением входного отверстия ему придаются свойства насоса объемного действия.

2.3 Типы лопастных насосов

Варианты исполнения горизонтальных насосов:

1. Консольное исполнение с односторонним расположением подшипников, а также с односторонним осевым или двухсторонним тангенциальным подводом.

2. Моноблочное исполнение, при котором рабочее колесо крепится на удлиненном валу электродвигателя, а подшипники последнего являются одновременно подшипниками насоса.

3. С расположением подшипников по обе стороны насоса и с горизонтальным разъемом, причем всасывающий и нагнетательный патрубки находятся в нижней половине, а верхняя половина крепится к нижней шпильками. Отводы, как правило, спирального типа. Корпус многоступенчатого насоса имеет переводные каналы, соединяющие ступени, выполняемые в присоединяемых к корпусу патрубках или отливаемых в верхней половине корпуса. В насосах с корпусом описываемой конструкции рабочие колеса расположены попарно симметрично. Как видно, последняя ступень находится внутри насоса. При такой схеме переводных каналов конструкция корпуса осложнена, зато сальник подвержен сравнительно невысокому давлению нагнетания первой ступени.

4. С фланцевыми соединениями в плоскости, перпендикулярной валу. Такая конструкция предназначена для перекачки горячих (температурой до 200° С) нефтепродуктов, когда трудно обеспечить плотность соединения при горизонтальном разъеме вдоль оси корпуса.

Безкорпусное исполнение, при котором каждая ступень насоса выполняется в виде отдельной секции, а затем все ступени стягиваются продольными сквозными болтами вместе с концевыми секциями, несущими опоры, всасывающий и нагнетательный патрубки, сальники и гидравлическую пяту. Каждая ступень имеет лопаточный отвод, а также обратные каналы. Такая конструкция имеет то преимущество, что на основе стандартной секции легко создавать однотипные насосы с различным числом ступеней. С другой стороны, при горизонтальном разъеме корпуса сборка, ревизия и ремонт насоса осуществляются проще. При большом числе ступеней (свыше 10) насосы изготовляют только секционными.

Варианты исполнения вертикальных насосов:

1. Насос для заглубленных насосных станций. Отличается расположением опорных лап. Соединяется с электродвигателем, устанавливаемым наверху, непосредственно или через промежуточный вал. Осевые усилия от насоса воспринимаются пятой электродвигателя.

2. Насос непогружного типа, подвешенный в скважине на колонне нагнетательных труб. Электродвигатель установлен над устьем скважины на опорной станине, имеющей колено для отвода воды в горизонтальный трубопровод. Приводной вал, нагнетательные трубы и корпус насоса собирают из секций.

3. Глубинный насос погружного типа отличается от предыдущего непосредственным соединением с электродвигателем. Насос с электродвигателем погружен ниже динамического уровня воды в скважине. Кабель питания электродвигателя спускается в скважину одновременно с навеской колонны нагнетательных труб. На устье скважины устанавливают задвижку и манометр.

Глубинные насосы различаются:

1. системой защиты электродвигателя – сухие, маслозаполненные, полусухие и мокрые электродвигатели;

2. конструкцией соединения ступеней – бескорпусные с фланцевыми соединениями секций и с корпусом в виде трубы, внутри которой помещены ступени насоса.

Лекция 3

3.1 Поршневые насосы, области применения

Поршневые насосы широко применяются во всех отраслях нефтяной промышленности. При бурении применяются горизонтальные двухцилиндровые поршневые буровые насосы, развивающие давление 15 – 20 МПа, а также горизонтальные двухцилиндровые поршневые цементировочные насосы с глобоидальной (типа червячной) передачей, развивающие давление 32 – 40 МПа.

3.2 Классификация поршневых насосов

При общности принципа действия и основных свойств поршневые насосы весьма разнообразны по устройству и конструкции деталей, в зависимости от условий работы и свойств перекачиваемой жидкости. В основу классификации поршневых насосов положены следующие признаки.

Способ приведения в действие:

1) Приводные, действующие от отдельно расположенного двигателя через передачу (зубчатую, клиноременную, цепную и пр.) и кривошипно-шатунный механизм (рис. 3.1, а);

2) Прямодействующие, у которых поршень связан одним штоком с поршнем двигателя, составляющего вместе с насосом один агрегат (рис 3.1, б). В качестве рабочего тела для двигателей этих насосов используется пар, сжатый воздух или жидкость. В соответствии с этим различают прямодействующие насосы паровые, пневматические и гидравлические («гидропоршневые»);

3) Ручные, приводимые в действие вручную.

Рисунок 3.1 – Схемы поршневых насосов

Расположение цилиндров: горизонтальные и вертикальные.

Число цилиндров: одно-, двух-, трехцилиндровые и т. д.

Конструкция поршня:

1) собственно поршневые, в которых выталкивающим телом является поршень с уплотнениями, плотно прилегающими к обработанной поверхности цилиндра (рис. 3.1);

2) плунжерные (скальчатые), в которых выталкивающим телом является плунжер, работающий в сальнике (рис. 3.2, а);

3) с проходным поршнем, у которых нагнетательный клапан расположен в теле поршня (рис. 3.2, б);

4) диафрагмовые, у которых всасывание и нагнетание достигается изменением формы гибкой диафрагмы или мембраны, служащей для разделения перекачиваемой жидкости и жидкости, омывающей трущиеся части насоса (рис. 3.2, в).

Рисунок 3.2 – Типы поршневых насосов

Род действия:

1) простого (одинарного) действия. При одном двойном ходе поршня насос один раз всасывает и один раз нагнетает. Объем, описываемый поршнем в цилиндре

V_S = FS,

где F и S – соответственно площадь и длина хода поршня;

2) двойного действия. За один двойной ход насос всасывает и нагнетает два раза, так что

V_S = FS + (F – f) S = (2F – f) S,

где f – площадь сечения штока;

3) дифференциального действия (рис. 3.2, г). За один двойной ход насос всасывает один раз, а подает двумя порциями:

V_S = (F – f)S + fS = FS.

Если, например, f = 0, 5 F, то за оба хода влево и вправо насос выталкивает равные объемы жидкости. Подача дифференциального насоса более равномерная, чем у насоса простого действия, а количество клапанов вдвое меньше, чем у насоса двойного действия.

Назначение:

1) буровые для подачи промывочной жидкости при бурении скважин;

2) цементировочные для подачи цементного раствора и воды при цементировании скважин;

3) для гидравлического разрыва пластов;

4) глубинные штанговые и бесштанговые (гидропоршневые) для добычи нефти из скважин;

5) для законтурного заводнения;

6) дозировочные для подачи химических реагентов;

7) нефтяные для перекачки горячих нефтепродуктов;

8) для перекачки сжиженных газов.

3.3 Принцип действия поршневого насоса

Простейший поршневой насос (рис. 3.1, а) состоит из цилиндра 1, поршня 2, при помощи штока 3 соединенного с приводной частью насоса, и размещенных в клапанной коробке 4 всасывающего 5 и нагнетательного 6 клапанов.

Пространство, заключенное между поршнем и клапанами, называется рабочей камерой насоса. Ее объем изменяется в зависимости от положения поршня. Минимальный объем называется объемом мертвого (или вредного) пространства V_M. Максимальный объем рабочей камеры V_S + V_M, где Vs – полезный объем рабочей камеры, описываемый поршнем за ход длиной S.

При движении поршня от клапанов в рабочей камере вследствие увеличения ее объема давление уменьшается. Поэтому жидкость под действием атмосферного давления поднимается по трубе, открывает всасывающий клапан и заполняет рабочую камеру. При этом закрытый нагнетательный клапан изолирует цилиндр от области высокого давления в нагнетательной трубе. При обратном ходе поршня в рабочей камере создается давление, превышающее давление в нагнетательной трубе. Нагнетательный клапан открывается, а закрытый всасывающий клапан изолирует рабочую камеру от области низкого давления во всасывающей трубе.

Поршневой насос обладает способностью самовсасывания, так как при достаточном уплотнении поршня и клапанов он способен откачивать воздух до такого разрежения, пока в камеру не начнет поступать жидкость. Практически такой запуск насоса не всегда допустим из-за увеличения трения поршня о цилиндр.

Теоретическая производительность поршневого насоса Q_Т определяется объемом, описываемым поршнем в единицу времени, и в отличие от лопастного насоса, не зависит от перепада давления ∆ р в насосе. Действительная производительность (или подача) Q меньше теоретической за счет утечек через неплотности в клапанах, сальниках и уплотнениях поршня, а также за счет частичного наполнения рабочей камеры жидкостью вследствие попадания воздуха и выделения паров. Поэтому с повышением давления подача насоса уменьшается, что связано с увеличением утечек через неплотности.

Лекция 4

Лекция 5

Лекция 6 Турбопередачи

Характеристика турбопередач

Турбопередачи применяются во многих силовых приводах, действующих в условиях переменного режима нагружения. Турбопередачи не вытесняют механические передачи, а дополняют их там, где это выгодно.

Схема турбопередачи изображена на рис. 6.1. Это лопастной насос и гидравлическая турбина, связанные замкнутым кругом циркуляции жидкости. Вал насоса является первичным валом гидравлической трансмиссии, а вал турбины – вторичным.

Главное свойство турбопередачи – то, что ее к.п.д. в значительной степени зависит от передаточного отношения и лишь при определенном значении достигает своего максимума. Эта особенность вытекает из известных свойств составных частей передачи – лопастного насоса и турбины.

Рисунок 6.1 – Схема турбопередачи

1 – вал двигателя; 2 – рабочее колесо центробежного насоса; 3– соединительный трубопровод; 4 – реактор; 5 – рабочее колесо турбины; 6 – ведомый вал турбопередачи;

7 – спиральный подвод турбины; 8 – резервуар; 9 – отсасывающая труба; 10 – всасывающая труба насоса; 11 – спиральный отвод насоса.

Представим, что при неизменном расходе жидкости в круге циркуляции перепад давления в турбине не зависит от частоты ее вращения. Таким свойством обладает, в частности, нормальная осевая турбина. Лопастной насос, прокачивающий жидкость через турбину как через постоянное гидравлическое сопротивление, работает в некотором

режиме. При этом потребляется мощность N1-(точка S), не зависящая от нагрузки на турбину и частоты её вращения. Поэтому кривая к. п. д. передачи повторяет некотором масштабе кривую изменения мощности iV₂, а линия коэффициента трансформации — линию изменения вращающего момента турбины (сравнить рис. 24.3, б ж в).

Рис. 6.2. Характеристики частей турбопередачи.

В действительности расход жидкости Q в круге циркуляции не сохраняется неизменным, а колеблется из-за непостоянства

перепада давления в турбине, а также в результате изменения угла направления потока а₁ при входе в рабочее колесо лопастного насоса. Вследствие колебания расхода жидкости характеристика турбины деформируется, сохраняя однако свой характер. Так, к. п. д. турбины, а следовательно, и к. п. д. всей передачи равен нулю при затормаживании (и₂ = 0) и при полной разгрузке (М_г =0), а в интервале между п₂ = 0 и п₂ = п_2так достигает своего максимума. Положение максимума к. п. п. зависит от конструкции турбопередачи.

6.2. Турбомуфты

В турбомуфте рабочие колеса центробежного насоса и турбины предельно сближены, так как они заключены в общий корпус. Между ними в круге циркуляции нет никаких неподвижных лопаток, воспринимающих опорный крутящий момент.

Схема турбомуфты показана на рис. 6.3. При отсутствии на грузки на ведомом валу турбинные и насосные колеса вращаются с жидкостью синхронно, без относительного перемещения. С нагружением ведомого вала частота вращения турбины уменьшается, и появляется циркуляция жидкости. Скольжение муфты

Характеристики турбомуфты при полном ее наполнении жидкостью представлены на рисунке 6.4.

На внешней характеристике турбомуфты при n, = idem достаточно построить две кривые зависимости - общего крутящего момента М ик п. д. от щ. Линия М в другом масштабе характеризует также мощность на первичном валу N,. Мощность на вторичном валу при любом режиме вращения определяется по формуле

Безразмерная характеристика отличается от рассмотренной только" тем " что вместо М по оси ординат откладываются значения коэффициента крутящего момента, а по оси абсцисс величины Если не учитывать момента трения в окружающей среде, можно считать, что к = 1, и тогда _П = »_в, г, т. е. кривая к. п. д. представляется прямой линией. При п„ приближающейся к п_ук п. д. турбомуфты теоретически стремится к единице.

Рис.6.3. Схема турбомуфты.

1- ведущий вал; 2 – ведомый вал; 3 – турбинное колесо; 4 – вращающейся кожух;

5 – насосное колесо.

Рис. 6.4. Характеристики турбомуфты при полном наполнении.

а – внешняя; б – универсальная.

Внутренняя полость турбомуфт бывает двух видов: с внутренним тором и без внутреннего тора.

В настоящее время преимущественно распространены турбо-муфты второго вида благодаря простоте их конструкции и большей мощности (при равных размерах).

Движение жидкости в турбомуфте без внутреннего тора при частичных наполнениях имеет некоторые особенности [2]. При s = О свободная поверхность жидкости располагается, как показано на рис. 6.5, а. С увеличением нагрузки (s ]> 0) частота вращения турбинного колеса уменьшается и возникает относительное движение, в результате которого происходит перераспределение жидкости между насосным и турбинным колесами. На жидкость теперь действуют центробежные силы, возникающие не только от вращения жидкости относительно оси турбомуфты, но тт в результате движения ее в меридиональных плоскостях так, как показано стрелками на рис. 6.5, б. В дальнейшем происходит расслоение между центростремительной и центробежной ветвями потока сначала в пределах турбинного колеса (рис. 6.5, в), а затем, когда центростремительная ветвь достигает внутреннего радиуса го полости, она входит в насосное колесо, так что жидкость образует кольцо, прижатое к чашам насосного и турбинного колес (рис. 6.5, г). В зоне перехода к этой кольцевой

В отличие от других турбомашин турбомуфты всегда изготовляют с плоскими радиальными лопатками (|3_1л = р₂₁ =*90°), но плоскости лопаток могут быть расположены по-разному. В связи

Рис. 6.5.. Формы потока в турбомуфте при частичном наполнении.

а — при s = 0; б — при s = 5 -f-10%; в — при s = 30 4- 35%; г—при s> 40 — 45%.

Рис. 6.6. Турбомуфта с порогом.

а — при малом скольжении; б — при большом скольжении.

Угол наклона лопаток в значительной степени влияет на характеристику муфты, а отсюда и на ее размеры. На режиме s = 0, 03 муфта с лопатками, наклоненными вперед на 45°, передает момент в 2, 5 раза больший (а при наклоне лопаток на 45° назад всего на 5% меньший) по сравнению с муфтой без наклона лопаток. На режиме s = 1 (турбина остановлена) соотношение моментов в трех указанных случаях 100: 10: 1 J2]. Это свойство турбомуфт важно для их использования в качестве гидродинамических тормозов буровых

лебедок (п₂ = 0), когда требуется большое сопротивление при спуске груза и очень малое при подъеме незагруженного крюка.

В зависимости от регулируемости турбомуфты подразделяются на две группы:

1) нерегулируемые, у которых любому - крутящему моменту соответствует единственное значение м₂, что неудобно там, где требуется изменение скорости ведомого вала при постоянной скорости ведущего;

12 3 4 5 Следующая ⇒