Расчёт пневмокомпенсаторов

Пневмокомпенсаторы устанавливают в непосредственной близости к цилиндрам насоса на нагнетательном и всасывающем коллекторе. Воздух или инертный газ, заключённый в пневмокомпенсаторе, разделяет поток жидкости в трубопроводе на два участка. На внутреннем участке, прилегающем к насосу, суммарный расход жидкости изменяется по рассмотренному выше закону. На внешнем участке, расположенном по отношению к насосу за компенсатором, жидкость движется по совсем другому закону, который обусловлен действием перепада давления между концом трубопровода и компенсатором. В результате неравенства в каждый момент времени объёмов жидкости, поступающей в компенсатор и вытекающей из него, объём пневматической подушки в компенсаторе даже при установившемся режиме работы насоса непрерывно изменяется от V _min до V_max. Приэтом происходит периодическое колебание давления газа от p_max до p_min.

Если объём подушки выбран достаточно большим по сравнению с изменением объёма V_из, то колебание давления по отношению к среднему будет малым, а поток жидкости на внешнем участке под действием практически постоянного перепада давления – равномерным. Исходя из этого условия, необходимые объём и давление газа в компенсаторе определяют в следующем порядке.

1. По заданному закону изменения подачи , например, представленному на рис. 7.1, в, строят график изменения объёма подушки , а затем находят объём .

2. Вводят понятие: коэффициент пульсации давления

.

Классический метод расчёта основан на условии, что изменение состояния газа изотермическое, т. е.

,

где - среднегеометрические величины¹. Их произведение называется «коэффициентом энергоёмкости» компенсатора:

,

где - начальные параметры состояния газа при наполнении компенсатора. Очевидно,

. (7.1)

Задавшись , из последнего выражения определяют средний объём газовой подушки при рабочем давлении , а затем «коэффициент энергоёмкости» .

3. По начальному объёму газовой камеры подбирают необходимое число баллонов известной ёмкости.

4. Если насос работает при изменяющемся давлении, а компенсатор выбран по наибольшему давлению, то при всех меньших давлениях фактическое значение будет ниже расчётного.

5. При наборе сменных втулок диаметрами от наибольшего D₁ до наименьшего D_k (k – число втулок) каждому диаметру соответствует определённое расчётное давление насоса (от наименьшего p₁ до наибольшего p_k), указанное в технической характеристике насоса. В этом случае компенсатор рассчитывают так, чтобы во время работы насоса при среднем давлении разделительный элемент (например, диафрагма) располагался приблизительно в средней части компенсатора. Определив для наименьшего диаметра втулки и соответствующее значение ,

как в п. 2, далее для втулки диаметром D₁ находят и соответствующий коэффициент пульсации .

Начальное давление выбирают из условия:

.

6. Существует вариант расчёта, основанный на том, что установившийся

процесс изменения состояния газа близок к адиабатическому (показатель политропы ), а переход от начального состояния газа к среднему - изотермический.

Вместо формулы (7.1) можно использовать приближённое выражение

.

Существует и обратная постановка задачи: рассчитать коэффициент пульсации при заданном значении коэффициента энергоёмкости пневмокомпенсатора. Сопоставление результатов расчёта с измерениями колебаний давления в буровых насосах показывает, что амплитуды колебаний в 1, 5 – 2 раза больше расчётных. Большее сближение расчётных результатов с практическими достигается использованием опытных кривых мгновенной подачи жидкости вместо теоретических.

Приведенная теория приближённая, поскольку в ней не учтены колебания скоростей жидкости во внешних участках труб. В системе может возникать явление резонанса, при котором размах колебаний давления во много раз превышает расчётный. Общее решение задачи с учётом всех влияющих факторов выходит за пределы настоящего курса.

Для обычных технических целей задача об определении параметров пневмокомпенсатора удовлетворительно решается описанным методом. При правильном выборе и настройке гасители пульсаций придают возвратно-поступательным насосам положительные свойства машин вращательного действия – почти равномерное движение жидкости в присоединяемых к ним трубопроводах.