4. РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ

Для увеличения подачи и напора в отдельных случаях можно применять наклонный либо спиральный трубопроводы. Одноклапанные системы целесообразно использовать в установках, предназначенных для подъема жидкости с глубин до При большей высоте водоподъема колонну жидкости целесообразно разделять (рис. 1, б), что снижает нагрузку на один клапан и повышает общий напор и подачу. Масса подвижных частей клапана, коэффициент жесткости и предварительное натяжение клапанных пружин, величина проходных сечений определяются из условий подачи за период колебаний и надежности.

При эксплуатации многоклапанных насосов на нефтепромыслах США и Франции отмечалась возможность транспортирования нефти со значительным содержанием механических примесей, а также наблюдались явления депарафинизации. Как считают некоторые специалисты, применение вибрационных насосов позволит увеличить дебит нефтяных скважин на 30% при воздействии колебаний на забой.

В установках с поверхностными вибровозбудителями амплитуда перемещения клапанного узла равна амплитуде перемещения вибровозбудителя лишь при коротких водоподъемных трубах, т. е. при где I — длина водоподъемной трубы от вибровозбудителя до клапанного узла; длина волны в трубах, заполненных жидкостью.

Во всех остальных случаях амплитуду перемещения клапанных узлов необходимо определять.

Введем следующие обозначения: модуль упругости материала трубопровода; площадь поперечного сечения материала трубы; с — коэффициент жесткости подвески; - квадрат скорости распространения звука в материале трубопровода; масса поверхностной части установки с вибровозбудителем; вынуждающая сила вибровозбудителя; масса столба жидкости; масса трубопровода.

Дифференциальное уравнение перемещения сечения трубопровода с учетом затухания, имеет вид

При а второй член уравнения близок нулю.

Совместим начало координат со свободным концом трубопровода, тогда граничные условия для решения (11)

Перемещение

Изменение амплитуды перемещений по длине трубопровода происходит по закону Максимальное перемещение соответствует где или

В установках, имеющих трубы большого диаметра, воздействие от жидкости значительно, и его необходимо учитывать специально,

В этом случае граничные условия будут иметь следующий вид;

В этом случае

где

При

Формула (17) аналогична выражению (14), а максимальное значение амплитуды будет соответствовать нулю знаменателя. Хотя (14) — (18) не учитывают влияния демпфирования и справедливы при равномерном распределении жидкости вдоль трубопровода, по ним с достаточной для практических расчетов точностью можно определить амплитуды перемещения в различных точках водоподъемных труб.

Таким образом, при определенных длинах водоподъемных труб и частотах колебаний можно получить амплитуду перемещения поверхностной части установки, близкую нулю. Получение узла перемещения на поверхности целесообразно по двум причинам; значительно упрощается виброизоляция поверхностной части, обеспечивается максимальный КПД при длине трубы, равной 1/4 длины волны. При проектировании установок следует учитывать, что подача при заданной частоте определяется амплитудой перемещения клапана. При больших высотах подъема воды целесообразно вдоль колонны водоподъемных труб устанавливать несколько клапанов.

При этом масса столба воды равномерно распределяется и составляет не более 30% от массы колонны труб.

Расположение клапанов должно соответствовать пучностям перемещения. Однако значительное увеличение числа клапанов может привести к падению давления Поскольку в установках с поверхностным вибровозбудителем нижний конец трубы не закреплен амплитуда перемещения его всегда максимальна. Эти выводы полностью подтверждены экспериментально и используются в производстве.

В тех случаях, когда длина водоподъемных труб меньше длины волны, колебательную систему для определения амплитуды клапанного узла можно рассчитывать как систему с одной степенью свободы.

Одним из наиболее целесообразных путей получения оптимального закона колебаний, отличающегося от гармонического [1], является применение электромагнитного вибровозбудителя с заданной формой колебаний. Получить такие колебания можно двумя способами: применением управляемых вентилей (установки ВКУ) в схеме питания электромагнита и резиновых или резинометаллических упругих элементов с нелинейной характеристикой, а также супергармонического вибропривода.

Погружные вибрационные насосы для ряда производств являются наиболее целесообразным видом гидравлического оборудования. Поскольку изменение давления от минимального до максимального происходит вдоль всего трубопровода, клапаны можно располагать как вблизи рабочего органа, так и на любом расстоянии от него. Располагая клапаны на различном расстоянии вдоль трубопровода, можно производить забор жидкости с различных горизонтов. Пример схемы такой установки приведен на рис. 1, б. Другой важной особенностью установки является стабильность ее работы независимо от глубины. Для этого длину приемной части выбирают из условий рациональных режимов по параметрам привода.

Рис. 2. Схема действия объемно-инерционного насоса

Наибольшее распространение в различных отраслях народного хозяйства получили объемно-инерционные насосы с электромагнитным приводом. Ряд модификаций этих насосов диаметром массой при подачах до и напорах до серийно выпускаются в Англии, Италии. Принцип работы объемно-инерционного насоса заключается в следующем (рис. 2). В водоподъемнике, погруженном в источник, вода через обратный клапан 1 поступает в корпус 2. При работе электромагнита 4 рабочий орган — поршень 3 колеблется с частотой 6000 колебаний в минуту. Когда поршень 3 движется вниз, обратный клапан 1 закрывается, и вода через зазор между поршнем и корпусом выжимается в надпоршневую полость 5. При движении поршня вверх эластичный поршень по окружности прижимается к корпусу. Над клапаном давление понижается, он открывается, и вода из источника поступает в насос. Одновременно средняя часть поршня сообщает жидкости, находящейся над поршнем, импульс давления. Таким образом, осуществляется подача воды. В водоподъемнике объединены элементы как объемного, так и инерционного насосов. Вода, поступая в межкорпусной объем, охлаждает электромагнитный привод и по гибкому шлангу 6 подается потребителю. Эти насосы применяют во многих отраслях промышленности, сельском хозяйстве и быту для перекачки неагрессивных жидкостей. Для транспортирования агрессивных жидкостей отдельные узлы выполняют из фторопласта, коррозионно-стойкой стали и т. д. Промышленность серийно выпускает бытовые вибрационные насосы, которые имеют хорошие эксплуатационные показатели при напорах до и подаче до

Расчет динамики вибрационных насосов с электромагнитным приводом проводится как для двухмассной колебательной системы (см. гл. XV). Пружины подбираются так, чтобы реализовался резонансный режим.

Поскольку рассматриваемые водоподъемники относятся к классу объемно-инерционных насосов, характер изменения зависит не только от амплитуды и частоты, но и от марки резины и формы рабочего органа, его диаметра,

установочного зазора между рабочим органом и седлом и других факторов. Рассмотрим основные из них, определяющие как выбор конструктивных параметров, так и установочные параметры при регулировке.

Рис. 3. Зависимости производительности и максимального напора Нхпъх от напряжения

На рис. 3 приведены зависимости производительности при постоянном напоре и максимальное значение напора от напряжения в сети. Производительность насоса при постоянном напоре прямо пропорциональна амплитуде перемещения якоря относительно корпуса. Зависимость производительности от напора при номинальном и повышенном напряжении для установок приведены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость напора от производительности при номинальном и повышенном напряжениях: - при при 240 В

В рабочем диапазоне изменения напора производительность насоса линейно убывает с увеличением напора. При этом уменьшается время той части цикла работы насоса, в течение которой давление во всасывающей камере превышает давление в нагнетательной, что приводит к уменьшению подачн за цикл.

Сложный гидродинамический процесс взаимодействия рабочего органа и обратного клапана с жидкостью можно описать с помощью двух коэффициентов определяемых опытным путем. Коэффициент пропорциональности Коэффициент характеризует зависимость и может быть определен из выражения (см. рис. 4). Если коэффициенты определены либо заданы, то производительность при заданном напоре обеспечивается амплитудой перемещения якоря

Дальнейший расчет таких параметров электромагнитного вибровозбудителя, как число витков, магнитный поток при номинальном зазоре, масса якоря, жесткость резинометаллического элемента и т. д. ведется по найденному значению А (см. гл. XV).

На характеристики насосов существенное влияние оказывают зазоры не только в электромагните, но и между рабочим органом и корпусом насоса, а также между основанием и всасывающим клапаном. Так, при прочих равных условиях, характеристику иасоса можно изменить с помощью подачи и коэффициента А, что достигается лишь изменением зазора между рабочим органом и корпусом. Для увеличения напора зазор уменьшают, а для увеличения подачи — увеличивают.

Материалом упругих элементов, клапанов и диафрагмы служат резиновые смеси, имеющие потери на гистерезис не более 6%. На основании экспериментальных исследований рекомендуются следующие диаметры рабочих органов: при давлении вод. и подаче при давлении 20-30 м вод. ст. и подаче при давлении 20 м вод. ст. и подаче Уменьшение объема всасывающей камеры способствует повышению давления, а

увеличение — повышению подачн. Это должно согласовываться с площадью сечений во всасывающем и нагнетательном клапанах.

К насосам вибрационного типа относятся также устройства, использующие электрогидравлический эффект, гидравлические тараны, эрлифты и струйные насосы с колебательным устройством, устройства с рабочим органом, имитирующим движение рыб. Значительная часть этих установок находится в стадии исследований и опытной эксплуатации. Некоторые из них серийно выпускаются промышленностью. Это установка с гидроштангой (водоподъемник ВДП-50), в которой за счет отраженных волн при наличии воздушного колпака производительность увеличивается в 1,2 раза, установки автоколебательного типа для повышения напора при водоотливе, представляющие собой совмещение гидравлического тарана и центробежного насоса и ряд других.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(см. скан)