Теория расчета нефтяных центробежных насосов

Разница между напорами во всасывающей и нагнетательной линиях трубопровода (дифференциальный напор) является тем напором, который требуется обеспечить работой насоса. Под этот напор проектируется проточная часть насоса и оптимизируется под максимальный КПД.

Напор насоса, рассчитанный, по приведенной выше формуле Эйлера:

представляет собой разницу между напором

во всасывающей

и нагнетательной линиях

Расшифровку буквенных обозначений в формулах не приводим. Приведенные известные уравнения напора во всасывающей и нагнетательной линиях получаются из уравнения Бернулли [7].

Инженер-проектировщик технологической установки (трубопроводной сети) подбирает насос по дифференциальному напору. Глубже проблемы гидродинамики проточной части не затрагиваются.

Инженер-расчетчик проточной части насоса проектирует проточную часть выбранного насоса и выполняет гидродинамический расчет для получения максимального КПД.

Результатом расчета проточной части является определение геометрии и конструкции корпуса насоса и рабочего колеса насоса (импеллера).

При высоких значениях напора применяют многоступенчатые насосы, в который число ступеней определяется делением дифференциального напора на напор одного рабочего колеса. Для перекачивания сред с высокой температурой, применяют насосы предназначенные для горячих сред.

В настоящее время насосы подбираются с помощью специальных компьютерных программ из баз данных по заданным параметрам. Эти программы могут быть самостоятельными, могут входить в состав программ для расчета трубопроводных сетей.

Резюме:

1. В формулы гидравлических расчетов трубопроводов подставляется величина напора (дифференциального) насоса, полученная по результатам гидродинамического расчета проточной части насоса.

2. Подбор насоса выполняется в специализированных программных пакетах после расчета трубопроводной сети в также специализированном пакете.

4 Модели турбулентности и расчет проточной части

Структура потока в проточной части центробежного нефтяного насоса турбулентная, вследствие этого для расчета течения потока применяют численные методы расчета с использованием специальных программных пакетов.

Подход, используемый при расчете турбулентного потока определяется инженером-расчетчиком и применяемой этим специалистом компьютерной программой.

4.1 Структура турбулентного потока

Турбулентное движение имеет вихревую структуру и графические материалы с картиной вихревых дорожек и картиной обтекания тел широко представлены в литературе.

Между вихрями разного масштаба происходит постоянное взаимодействие. Структура турбулентности описывает эти взаимодействия.

Течение переходит из ламинарного (слоистого) в турбулентное при потере устойчивости. В потоке появляются возмущения и при их развитии устойчивое ламинарное движение переходит в турбулентное. Такие возмещения могут вызываться, например, наличием каких-либо элементов конструкции на пути течения потока.

Развитая турбулентность (завихренное течение) представляет собой иерархию вихрей [10,с.15], в которой крупные вихри теряют устойчивость и распадаются на вихри более мелких масштабов (турбулентное перемешивание). Каскадный процесс передачи энергии от больших вихрей к меньшим происходит до устойчивых вихрей минимального масштаба. Минимальные вихри передают энергию за счет вязкости, то есть их кинетическая энергия преобразуется в выделение теплоты.

Турбулентное течение в отличии от ламинарного имеет большое число степеней свободы. По этой причине в литературе широко используется статистическое описание турбулентных течений.

В потоке величины условно делятся на осредненные (регулярные) и пульсационные (нерегулярные) [10,с.12]. Для описания турбулентного течения используются осредненные величины по времени или пространству. Появление какой-либо определенной структуры потока среди возможных конфигураций определяется согласно законам математической теории вероятностей.

В реальных задачах находят на полное определение вероятностей, а только для отдельных характеристик [10,c.13], таких как давление средние скорости в различных точках пространства, а также вторые моменты пульсаций турбулентности интенсивность турбулентности, компоненты импульса. Решение проблемы турбулентности по существу эквивалентно нахождению всех моментов при задании общих условий.

Аналитическая теория турбулентности получается на основании системы уравнений уравнений Фридмана-Келлера [10,с.13.]. Для применения этих уравнений к реальному течению с конечным числом степеней свободы, требуется выполнить математическую операцию замыкания уравнений, так как неизвестных в уравнениях больше, чем самих этих уравнений.