Пример расчета характеристики струйного насоса

Для определения технических возможностей струйного насоса при работе на переменных режимах требуется рассчитать и построить его характеристику. По условиям в примере рассматривается насос с коноидальным соплом. Конструкция выполнена с соблюдением всех требований по выбору длины камеры смешения, расстояния между соплом и камерой смешения; угол конусности диффузора и его степень расширения соответствуют рекомендованным значениям. Таким образом, для такой конструкции можем использовать изложенные методы расчета.

Значения параметров исходных данных:

диаметр выходного отверстия сопла - 8,7 мм;

диаметр камеры смешения - 22,0 мм;

коэффициент сжатия струи -1,0;

плотность жидкости -1000кг/м³

расход жидкости через сопло - 5,0 л /с

Для расчета используем программу №1. Значения параметров исходных данных вводим в ЭВМ, строго соблюдая размерность, принятую в инженерных расчетах (м; кг/м³; м³/с):

0,0087

0,0220

1,0

0,005

Результаты расчета представлены в таблице 5.1. (ПРИМЕЧАНИЕ. В рассматриваемом примере и далее по тексту данной работы не используются приемы округления чисел, приемы определения значащих цифр. Это связано с особенностями программирования и необходимостью текущего контроля за работой составленных программ.)

Таблица 5.1

Q	H	ETA	Q1	P41	P04	P01
0,0000	0,2768	0,0000	0,0000	1,0086	2,6347	3,6433
0,1349	0,2695	0,0497	0,0007	0,9811	2,6599	3,6409
0,2697	0,2621	0,0958	0,0013	0,9524	2,6815	3,6339
0,4046	0,2547	0,1383	0,0020	0,9226	2,6996	3,6222
0,5395	0,2472	0,1772	0,0027	0,8914	2,7143	3,6058
0,6743	0,2396	0,2125	0,0034	0,8590	2,7257	3,5847
0,8092	0,2318	0,2442	0,0040	0,8251	2,7338	3,5589
0,9440	0,2238	0,2722	0,0047	0,7898	2,7387	3,5284
1,0789	0,2155	0,2964	0,0054	0,7529	2,7404	3,4933
1,2138	0,2069	0,3166	0,0061	0,7145	2,7390	3,4535
1,3486	0,1978	0,3326	0,0067	0,6744	2,7346	3,4089
1,4835	0,1883	0,3441	0,0074	0,6325	2,7272	3,3597
1,6184	0,1782	0,3508	0,0081	0,5890	2,7169	3,3058
1,7532	0,1674	0,3525	0,0088	0,5436	2,7037	3,2472
1,8881	0,1559	0,3486	0,0094	0,4962	2,6877	3,1840
2,0229	0,1434	0,3388	0,0101	0,4470	2,6691	3,1160
2,1578	0,1300	0,3225	0,0108	0,3957	2,6477	3,0434
2,2927	0,1154	0,2991	0,0115	0,3423	2,6238	2,9660
2,4275	0,0994	0,2680	0,0121	0,2868	2,5973	2,8840
2,5624	0,0819	0,2285	0,0128	0,2290	2,5683	2,7973
2,6973	0,0625	0,1797	0,0135	0,1690	2,5369	2,7059
2,8321	0,0409	0,1207	0,0142	0,1067	2,5032	2,6098
2,9670	0,0167	0,0504	0,0148	0,0419	2,4671	2,5091
3,1018	-0,0105	-0,0323	0,0155	-0,0253	2,4289	2,4036

0,0087

0,0220

1,0000

1000,0000

0,0050

0,0500

6,3945

На основе полученных данных строим характеристики струйного насоса рис. 5.1. Расчетные значения наиболее важных параметров:

максимальный КПД - 0,3525;

оптимальный относительный расход -1,7532;

оптимальный относительный напор -0,1674;

оптимальное давление струйного насоса - 0,5436 МПа;

максимальное давление струйного насоса - 1,0086 МПа;

максимальный расход перекачиваемой жидкости - 0,015 м³/с.

Если при эксплуатации струйного насоса возможно возникновение кавитации, то вид характеристики несколько изменяется. Построим кавитационную характеристик для условий данного примера:

полное давление перед соплом - 3500000 Па;

полное давление перед приемной камерой - 350000 Па;

давление насыщения паров жидкости - 2000 Па.

Рис. 5.1. Характеристика струйного насоса.

Рассчитываем критическое значение относительного расхода по формуле (2.1).

q_k = (6,3945-l)(l+0,03)(l+0,06)^-1(350000-2000)^0,5(3500000-2000)^-0,5=l,653

Q_1k = 1,653· 0,005 = 8,265 ·10^-3 м^з/с

Кавитационная характеристика содержит два участка, рис. 5.2: кавитационный и докавитационный. Максимально возможный расход перекачиваемой жидкости при кавитации ограничен критическим значением. Струйный насос рекомендуется эксплуатировать в режимах, когда расход меньше критического и, следовательно, отсутствует кавитация.

5.2.Пример проектирования струйного насоса, работающего в ….. комплексе с силовым поршневым насосом.

Требуется спроектировать струйный насос, исходя из условия его работы с максимально возможным КПД. Рабочая жидкость подается в струйный насос силовым поршневым насосом (насосом объемного типа). Из двух возможных равноценных вариантов решения задачи выбирают тот, где диаметр камеры смешения больше. При прочих равных условиях увеличение диаметра камеры смешения способствует снижению вероятности возникновения кавитации.

Описание насосной установки. На расчетной схеме рис.5.3 показан струйный насос 1, установленный в скважине 2 и служащий для добычи воды. Добываемая вода через перфорационные отверстия 3 в обсадной колонне поступает в приемную камеру струйного насоса. Поршневой насос 5 обеспечивает подачу рабочей жидкости к струйному насосу. Рабочая и добываемая жидкости перемешиваются в струйном насосе и отводятся в сборный трубопровод 4. На схеме показан также участок характеристики силового насоса.

Рис. 5.2. Кавитационные характеристики струйного насоса.

Рис. 5.3. Расчётная схема насосной установки.

Исходные данные к расчету. Условиями эксплуатации задаются значения выходных параметров струйного насоса и используемого силового насоса:

давление струйного насоса -0,9 МПа;

расход перекачиваемой жидкости -3,0 л/с;

плотности жидкости -1000 кг/м³;

коэффициент сжатия струи -1.0;

максимальное давление силового насоса -6,0 МПа;

минимальное давление силового насоса (в пределах рассматриваемого

участка его характеристики) -1,0 МПа;

максимальная подача силового насоса -4,0 л/с;

минимальная подача силового насоса -4,0 л/с;

(в пределах рассматриваемого участка характеристики силового насоса максимальная и расчетная минимальная подача равны).

Соблюдая, принятую для расчетов размерность параметров (Па, м³/с, кг/м3), вводим в ЭВМ исходные данные для программы № 2:

0,003

1.0

0,004

0,004

Проанализируем результаты расчета, представленные в таблице 5.2.

Таблица 5.2

A	Q	H	ETA	DS	DKS	P04	P01	Q0
13,111	0,750	0,132	0,114	0,00663	0,02399	6,000	6,900	0,0040
13,411	0,750	0,129	0,111	0,00663	0,02427	6,000	6,900	0,0040
2,200	0,750	0,137	0,119	0,00589	0,00873	5,750	6,650	0,0040
12,858	0,750	0,134	0,116	0,00669	0,02398	5,750	6,650	0,0040
2,204	0,750	0,140	0,122	0,00595	0,00883	5,500	6,400	0,0040
12,305	0,750	0,139	0,121	0,00675	0,02368	5,500	6,400	0,0040
2,212	0,750	0,146	0,128	0,00602	0,00896	5,250	6,150	0,0040
11,751	0,750	0,145	0,127	0,00682	0,02337	5,250	6,150	0,0040
2,222	0,750	0,153	0,136	0,00610	0,00909	5,000	5,900	0,0040
11,192	0,750	0,151	0,133	0,00689	0,02304	5,000	5,900	0,0040
2,228	0,750	0,158	0,141	0,00618	0,00922	4,750	5,650	0,0040
10,635	0,750	0,158	0,140	0,00696	0,02270	4,750	5,650	0,0040
2,241	0,750	0,168	0,151	0,00627	0,00938	4,500	5,400	0,0040
10,076	0,750	0,165	0,148	0,00704	0,02235	4,500	5,400	0,0040
2,250	0,750	0,173	0,157	0,00636	0,00953	4,250	5,150	0,0040
9,517	0,750	0,173	0,157	0,00712	0,02197	4,250	5,150	0,0040
2,267	0,750	0,184	0,169	0,00646	0,00973	4,000	4,900	0,0040
8,955	0,750	0,182	0,167	0,00721	0,02157	4,000	4,900	0,0040
2,282	0,750	0,193	0,179	0,00657	0,00992	3,750	4,650	0,0040
8,389	0,750	0,192	0,178	0,00730	0,02115	3,750	4,650	0,0040
2,301	0,750	0,203	0,192	0,00669	0,01014	3,500	4,400	0,0040
7,821	0,750	0,203	0,190	0,00740	0,02069	3,500	4,400	0,0040
2,326	0,750	0,216	0,206	0,00682	0,01040	3,250	4,150	0,0040
7,244	0,750	0,215	0,205	0,00750	0,02020	3,250	4,150	0,0040
2,356	0,750	0,229	0,223	0,00696	0,01069	3,000	3,900	0,0040
6,659	0,750	0,229	0,222	0,00762	0,01965	3,000	3,900	0,0040
2,400	0,750	0,245	0,243	0,00713	0,01104	2,750	3,650	0,0040
6,064	0,750	0,244	0,242	0,00773	0,01904	2,750	3,650	0.0040
2,458	0,750	0,263	0,267	0,00731	0,01147	2,500	3,400	0,0040
5,453	0,750	0,262	0,266	0,00786	0,01835	2,500	3,400	0,0040
2,548	0,750	0,283	0,296	0,00753	0,01202	2,250	3,150	0,0040
4,803	0,750	0,283	0,296	0,00799	0,01751	2,250	3,150	0,0040
2,725	0,750	0,307	0,333	0,00780	0,01288	2,000	2,900	0,0040
4,067	0,750	0,307	0,333	0,00811	0,01635	2,000	2,900	0,0040

900000,0000

0,0030

1000,0000

1,0000

6000000,0000

1000000,0000

0,0040

0,0040

Все представленные варианты струйных насосов способны обеспечить решение поставленной задачи. Однако, следует остановить выбор на одном из этих вариантов. По условию задачи выбор необходимо проводить из условия обеспечения работы струйного насоса с максимально возможным КПД. Этому условию отвечают варианты, представленные в 33 и 34 строках. Из них выбираем вариант, где диаметр камеры смешения больше - 0,01635 м (диаметр сопла 0,00811 м). Таким образом, оптимальная конструкция струйного насоса подобрана с учетом всех требований данной задачи.

Обратим внимание на то, что во всех вариантах в таблице 5.2 рабочий перепад давления на струйном насосе (давление силового насоса) превышает 2,0 МПа. Это означает, что при рабочем перепаде давления менее 2,0 МПа невозможно обеспечить решение поставленной задачи с помощью струйных насосов.

5.3. Пример проектирования струйного насоса при подаче рабочей … жидкости из магистрального напорного трубопровода.

Требуется спроектировать струйный насос при подаче рабочей жидкости из магистрального напорного трубопровода (силовая насосная установка обеспечивает стабильность рабочего перепада давления при изменении расхода рабочей жидкости через сопло струйного насоса). Расчеты провести, исходя из условия работы струйного насоса с максимальным КПД. Из двух возможных равноценных вариантов решения задачи выбрать тот, где диаметр камеры смещения больше. В данной задаче последнее условие связано с необходимостью расширения каналов для прохода твердых частиц, имеющихся в перекачиваемой жидкости.

Описание насосной установки. На расчетной схеме рис.5.4 показан струйный насос 1, размешенный в скважине 2 и служащий для добычи воды. Добываемая вода через перфорационные отверстия 3 в обсадной колонне поступает в приемную камеру струйного насоса. В данном примере рабочая жидкость в струйный насос подается из напорного магистрального трубопровода 5. Рабочая и добываемая жидкости перемешиваются в струйном насосе и отводятся в сборный трубопровод 4. На схеме показан участок характеристики силовой установки, служащей для перекачки жидкости по магистральному трубопроводу и для подачи рабочей жидкости к струйному насосу (разность давлений в напорном магистральном трубопроводе и сборном трубопроводе остается постоянной при изменении расхода рабочей жидкости через сопло струйного насоса).

Исходные данные к расчету. Условиями эксплуатации определены значения выходных параметров проектируемого струйного насоса и силовой установки, подающей рабочую жидкость к струйному насосу: давление струйного насоса -0,9 МПа;

расход перекачиваемой жидкости -3,0 л/с;

плотность жидкости -1000 кг/м³;

коэффициент сжатия струи -1,0;

максимальное давление силового насоса -2,5 МПа;

минимальное давление силового насоса -2,5 МПа;

(в пределах рассматриваемого участка характеристики силового насоса максимальное и минимальное давления равны);

максимальная подача силового насоса -5,0 л/с;

минимальная подача силового насоса -1,0 л/с.

Для расчета используем программу № 2. Соблюдая принятую для расчетов размерность параметров, вводим в ЭВМ исходные данные в такой последовательности:

0,003

1,0

0,005

0,001

Рис. 5.4. Расчётная схема насосной установки.

Проанализируем результаты расчёта, представленные в таблице 5.3.

Таблица 5.3

A	Q	H	ETA	DS	DKS	P04	P01	Q0
3,510	1,000	0,262	0,355	0,00656	0,01229	2,500	3,400	0,0030
4,451	1,000	0,262	0,355	0,00670	0,01414	2,500	3,400	0,0030
3,121	0,938	0,262	0,333	0,00669	0,01183	2,500	3,400	0,0032
4,825	0,938	0,262	0,333	0,00697	0,01531	2,500	3,400	0,0032
2,884	0,882	0,262	0,314	0,00685	0,01163	2,500	3,400	0,0034
5,051	0,882	0,262	0,313	0,00721	0,01620	2,500	3,400	0,0034
2,709	0,833	0,262	0,296	0,00700	0,01153	2,500	3,400	0,0036
5,216	0,833	0,262	0,296	0,00743	0,01698	2,500	3,400	0,0036
2,571	0,789	0,262	0,281	0,00716	0,01148	2,500	3,400	0,0038
5,344	0,789	0,262	0,280	0,00765	0,01769	2,500	3,400	0,0038
2,458	0,750	0,263	0,267	0,00731	0,01147	2,500	3,400	0,0040
5,453	0,750	0,262	0,266	0,00786	0,01835	2,500	3,400	0,0040
2,361	0,714	0,262	0,254	0,00746	0,01147	2,500	3,400	0,0042
5,543	0,714	0,262	0,254	0,00806	0,01898	2,500	3,400	0,0042
2,279	0,682	0,263	0,243	0,00762	0,01150	2,500	3,400	0,0044
5,619	0,682	0,262	0,242	0,00826	0,01957	2,500	3,400	0,0044
2,207	0,652	0.263	0,233	0,00777	0,01154	2,500	3,400	0,0046
5,687	0,652	2,262	0,232	0,00845	0,02014	2,500	3,400	0,0046
2,143	0,625	0,262	0,222	0,00791	0,01158	2,500	3,400	0,0048
5,747	0,625	0,262	0,222	0,00863	0,02070	2,500	3,400	0,0048
2,088	0,600	0,263	0,214	0,00806	0,01164	2,500	3,400	0,0050
5,798	0,600	0,262	0,213	0,00882	0,02123	2,500	3,400	0,0050

90000,0000

- 0,0030

1000,0000

1,0000

2500000,0000

2500000,0000

0,0050

0,0010

Все представленные варианты струйных насосов способны обеспечить заданные значения выходных параметров и, следовательно, решить поставленную задачу. Остается выбрать один из этих вариантов. В соответствии с заданием выбор необходимо проводить из условия обеспечения максимального КПД струйного насоса. Этому условию отвечают варианты в 1 и 2 строках. Согласно условию задачи предпочтение отдаем варианту во 2-й строке, где диаметр камеры смешения больше. Расчетные значения диаметра выходного отверстия сопла- 0,0067 м, диаметра камеры смешения- 0,01414 м, расхода рабочей жидкости-0,003 м³/с.

Обратим внимание на то, что во всех представленных в таблице 5.3 вариантах струйных насосов расход рабочей жидкости превышает 0,003 м³/с. Это означает, что при расходе рабочей жидкости менее 0,003 м³/с невозможно решить поставленную задачу с помощью струйных насосов.