КУРСАЧ Гидравлика

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Факультет трубопроводного транспорта
Кафедра «Гидрогазодинамика трубопроводных систем и гидромашины»
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика» по теме:
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ И ЭЛЕМЕНТОВ
ОБОРУДОВАНИЯ
Студент группы БГР-20-01
Э. Р. Габдрахманова
Руководитель доцент, канд. техн. наук
Н. В. Морозова
Нормоконтроль
Н. В. Морозова
г. Уфа 2022
СОДЕРЖАНИЕ
Задание на выполнение курсовой работы……………………………………….2
Введение…………………………………………………………………………...3
1 Задача №1. Определение минимального натяжения каната…………………4
2 Задача №2. Определение максимального расхода в трубопроводе………….5
3 Задача №3. Определение расхода в ветвях и давления………………………6
Список использованных источников……………………………………………7
Заключение………………………………………………………………………..8
2
ВВЕДЕНИЕ
Практическое значение гидравлики очень велико, так как она
представляет собой основу для инженерных расчетов во многих областях
техники и является базой для ряда специальных дисциплин: гидротехники,
гидравлических машин (насосы и турбины), водоснабжения и канализации,
осушения
и
орошения,
водного
транспорта
и
т.
д.
Особенно большое значение имеет гидравлика для специалистов-нефтяников,
технологов и др. поскольку все основные производственные процессы
нефтяной промышленности в той или иной форме связаны с использованием
и перемещением разнообразных жидкостей (нефтей, нефтепродуктов,
химических
реагентов,
воды,
глинистых
растворов)
по
различным
гидравлическим системам.
Также невозможно представить какую-либо отрасль промышленности
без сети трубопроводов. Трубопроводы для транспортировки различных
жидкостей являются неотъемлемой частью агрегатов и установок, в которых
осуществляются рабочие процессы, относящиеся к различным областям
применения. При выборе труб и конфигурации трубопровода большое значение
имеет стоимость как самих труб, так и трубопроводной арматуры. Расчет любой
сети трубопроводов включает в себя подбор материала труб, составление
спецификации, где перечислены данные о толщине, размере труб, маршруте и
т.д. Сырье, промежуточный продукт и/или готовый продукт проходят
производственные стадии, перемещаясь между различными аппаратами и
установками, которые соединяются при помощи трубопроводов и фитингов.
Правильный расчет, подбор и монтаж системы трубопроводов необходим для
надежного осуществления всего процесса, обеспечения безопасной перекачки
сред,
а
также
для
герметизации
системы
и
недопущения
утечек
перекачиваемого вещества в атмосферу. Благодаря проведенным расчетам
можно безопасно и правильно подобрать трубы для перекачки нефти и других
жидкостей или газов. В этом заключается актуальность темы курсовой работы.
3
Не существует единой формулы и правил, которые могли бы быть
использованы для подбора трубопровода для любого возможного применения
и рабочей среды. В каждой отдельной области применения трубопроводов
присутствует ряд факторов, требующих учета и способных оказать
значительное влияние на предъявляемые к трубопроводу требования.
4
1 Задача №1. Определение минимального натяжения каната
Определить минимальное натяжение Т каната, необходимое для
удержания щита, закрывающего треугольное отверстие в стенке резервуара.
Щит может поворачиваться вокруг оси О. Заданы линейные размеры Н, b, m,
n и углы α1 , α2 = 60º.
Рисунок к задаче №1
Таблица исходных данных
Вариант
Темп-ра, tº C
Н, м
m, м
n, м
b, м
Жидкость
6
20
6,5
3
6,5
2,3
нефть
Решение
Сила гидростатического давления жидкости на щит рассчитывается по
формуле
F   ж  g  hC  S , H
где
(1)
 ж - плотность нефти при температуре t = 20º C , кг / м3 ( справочная
величина)
g - ускорение свободного падения, м / с2;
hc - глубина погружения в жидкость центра тяжести площади щита S,
м;
5
S - площадь щита, м2.
Глубина погружения в жидкость центра тяжести площади щита S
рассчитывается по формуле
1
hC  Н  cos90   2 , м
3
1
hC  6,5
,  cos90  60  6,21
, м
3
(2)
Площадь поверхности треугольного щита рассчитывается по формуле
S
где
m n 2
,м
2
(3)
m - высота треугольного щита, м;
n - ширина треугольного щита, м.
S
3  6,5
 9,75м 2
2
Подставляя полученные значения в выражение (1), находим:
F  845  9,81 6,21 9,75  5,02 10 5 H
Сила F нормальна к щиту и приложена в центре давления. Расстояние
от центра тяжести щита до точки приложения силы F :

где
IC
,м
S  lC
(4)
I C - момент инерции площади треугольного щита относительно
горизонтальной центральной оси, м 4 ;
lC - расстояние от свободной поверхности жидкости до центра тяжести
треугольника по направлению щита, м;
S - площадь щита, м2.
n  m3
IC 
, м4
36  sin  2
(5)
lC - расстояние от свободной поверхности жидкости до центра тяжести
треугольника по направлению щита, м;
6
lC 
hC
,м
sin  2
(6)
Заменяя в выражении (4) величину I C правой частью выражения (5) и
величину lC правой частью выражения (6), получаем:
n  m3
36  sin  2
n  m3


,м
hC
36

S

h
C
S
sin  2

(7)
6,5  33
 0,0805 м
36  9,75  6,21
Условие равновесия щита (сумма моментов всех сил относительно оси
О равна нулю):
m



 М  Т  cos90    b  F   3     0
О
1
(8)
откуда находим минимальное натяжение каната, необходимое для
удержания щита

m
F    
3
 ,Н
Т
cos90  1   b
(9)

3
5,02 105    0,0805
3
  232 кН
Т
cos90  60 2,3
7
р0
Т
1
Н
hС
2
lС
F
х
С

п
т
О
S
3
b
т
у
Рисунок 1 – Расчетная схема.
Ответ: Т = 232 кН.
2 Задача №2. Определение максимального расхода в трубопроводе
Решите задачу 1 при условии, что высота подъема жидкости hвс задана,
а нужно определить максимальный расход в трубопроводе из условия
отсутствия кавитации.
Задача 1
Насос подает жидкость из подземной ёмкости с избыточным давлением
газа на поверхности жидкости. На всасывающей линии (длина l, диаметр d,
трубы сварные, бывшие в эксплуатации) имеются местные сопротивления:
приёмная коробка с клапаном и сеткой, колено и кран с коэффициентом
сопротивления ξкр. Показание вакуумметра на входе в насос равно рv, расход
жидкости Q, температура t°C.
8
Определить рабочую высоту всасывания насоса hвс и предельную высоту
из условия отсутствия кавитации на входе в насос. Объяснить также, почему
при кавитации насос не всасывает жидкость и рабочее колесо насоса выходит
из строя.
Рисунок к задаче №1
Таблица исходных данных
Вариант
l, м
d, м
ξкр
ри, кПа
hвс, м
t, ºС
Жидкость
3
14
0,08
1,5
30
4,2
25
Масло инд. 20
Решение
Составляем уравнение Бернулли для сечений 1-1, проходящему по
свободной поверхности жидкости в подземной емкости и сечению 2-2,
проходящему в месте установки вакуумметра. Плоскость сравнения проводим
по сечению 0-0 (рисунок 1):
p1 1 12
p2  2 22
z1 

 z2 

 h12 , м
g
2g
g
2g
9
(1)
Здесь z1 и z 2 - высоты центров тяжести сечений относительно плоскости
отсчета 0-0, м; р1 и р2 - абсолютные давления в сечениях 1-1 и 2-2, Па;  плотность жидкости, кг
м3
; g – ускорение свободного падения, м 2 ; 1 и 2 с
средние скорости в сечениях, м ;  1 и  2 - коэффициенты Кориолиса; h1 2 с
суммарные потери напора при движении жидкости от первого до второго
сечения, м.
2
2
0
1
1
0
Рисунок 1
Определяем слагаемые уравнения Бернулли в диной задаче.
Высоты центров тяжести сечений: z1  0 , z2  hв с .
Средние скорости в сечениях:
1 
Q м
,
S1 с
2 
Q
4Q м

,
S1   d 2 с
(2)
(3)
Так как площадь сечения 1-1 намного больше площади сечения 2-2
S1  S 2 , то скорость изменения уровня жидкости в подземной емкости
10
намного меньше скорости жидкости в трубопроводе 1  2 и можно принять
1  0 , 2   .
Коэффициенты Кориолиса  1 и  2 зависят от режима движения
жидкости. При ламинарном режиме   2 , а при турбулентном   1 .
Абсолютное давление в сечении 1-1: р1  ра  ри . Абсолютное давление
в сечении 2-2 равно давлению насыщенных паров масла Индустриального 20
при температуре t  25C : р2  рн. п .
После подстановки всех параметров уравнение Бернулли принимает
вид:
p а  ри
pн. п  2   2
0
 0  hвс 

 h12 , м
g
g
2g
(4)
Суммарные потери напора между сечениями 1-1 и 2-2:
2
 
 l
h12       пр. кор   кол   кр   , м
 d
 2g
(5)
где  пр. кор  8,0 - коэффициент местного сопротивления приёмной коробки с
клапаном и сеткой при d  0,08 м (справочная величина);
 кол  0,23
- коэффициент местного сопротивления колена (справочная
величина).
Заменяя в выражении (4) величину h1 2 правой частью выражения (5),
получаем:
0
2
p а  ри
p
  2  l
(6)
 
 0  hвс  н. п  2
      пр. кор   кол   кр   , м
g
g
2g
 d
 2g
Убираем нули и приводим подобные члены:
2
p а  ри  p н . п
l
 

 hвс    2      пр. кор   кол   кр   , м
g
d

 2g
11
(7)
Заменяя в выражении (7) величину  правой частью выражения (3),
получаем:
2
 4Q 


p а  ри  p н . п
l
  d 2 

 hвс    2      пр. кор   кол   кр  
,м
g
d
2
g


(8)
или
p а  ри  p н . п
l
8Q 2


 hвс    2      пр. кор   кол   кр  
,м
2
4
g
d

 g   d
(9)
Это расчетное уравнение для определения расхода жидкости. Оно
представляет собой закон сохранения энергии для данной задачи. Расход
входит в правую часть уравнения непосредственно, а также коэффициент
трения  через число Рейнольдса Re .
Не зная расход, невозможно определить режим движения жидкости и
выбрать формулу для  . Кроме этого, при турбулентном режиме коэффициент
трения зависит от расхода сложным образом:
- для ламинарного режима
64
Re
- для турбулентного режима

(10)
 68  
(11)
  0,11   э 
Re
d


 э - эквивалентная шероховатость труб сварных, бывших
0 , 25
где
в
эксплуатации (справочная величина), мм.
Если подставить выражение (10) в формулу (9), то полученное
уравнение не решается алгебраическим способом, то есть является
трансцендентным. Такие уравнения решаются графическим способом или
численно, чаще всего методом итераций.
12
Дальнейшее решение задачи производим графическим способом.
Графический способ основан на построении графиков функций левой и правой
частей уравнения (9) и нахождении точки их пересечения. При этом
последовательно задаемся рядом значений расхода Q, вычисляя при каждом
значении Q число Re,  , f(Q), F(Q). В данном случае F(Q) обозначена левая
часть уравнения (9).
Принимаем Q  4 л .
с
Число Рейнольдса:
Re 
где
4Q
  d 
(12)
 - коэффициент кинематической вязкости масла Индустриальное 20
при t  25C (справочная величина), м с ;
2
4  4,0  10 3
Re 
 8,85  10 2
4
3,14  0,08  0,720  10
Так как полученное значение меньше критического числа Рейнольдса
2300, то режим течения ламинарный и  2  2 .
Коэффициент гидравлического трения определяем по формуле (10):

64
 7,23  10  2
2
8,85  10
Определяем значение правой части уравнения (9):
14
8  4  10  3 


2
f Q    2  7,23  10 
 8,0  0,23  1,5 
 0,788 м
2
4
0,08

 9,81  3,14  0,08
2
Плотность масла Индустриальное 20 при t  25C :

где
 50
, кг 3
1    t  м
(13)
 50 - плотность масла Индустриальное 20 при t  50C (справочные
данные), кг
м3
;
13
 - коэффициент температурного расширения, 1 К ;
t - разность температур, С ;

891
 9,07  10 2 кг 3
м
1  0,0007  25  50
Принимая величину атмосферного давления равной
ра  100 кПа
определяем значение левой части уравнения (9):
F Q  
100  30   10  200  4,2  10,4 м
3
9,07  10 2  9,81
Дальнейшие расчеты производим в табличной форме. Результаты
расчетов заносим в таблицу 1.
Таблица 1
Q, л
с
0
Re
0
4
8
8,85·102 1,77·103
12
16
20
24
2,65·103
3,54·103
4,42·103
5,31·103
Режим
движения
-
лам
лам
турб
турб
турб
турб
2
-
2
2
1
1
1
1
7,23
3,62
4,52
4,24
4,043
3,89
-
·10-2
·10-2
·10-2
·10-2
·10-2
·10-2
0
0,788
2,34
5,42
9,38
14,4
20,4
10,4
10,4

f Q , м
F Q , м
10,4
10,4
14
10,4
10,4
10,4
hвс , м
24
f Q 
20
16
F Q 
12
А
8
4
0
0
4
8
12
16
20
24
Q, л28
с
Рисунок 2 – Графики функций левой и правой частей уравнения (9).
На пересечении графиков f Q  и F Q  точка А (рисунок 2) находим
искомый максимальный расход в трубопроводе из условия отсутствия
кавитации Q  17,0 л .
с
Ответ: Q = 17,0 л/с.
3 Задача №3. Определение расхода в ветвях и давления
15
2 Расчет сложного трубопровода.
Из трех фонтанирующих скважин нефть течет в сборную емкость С,
откуда
собирается
в
атмосферную
емкость
4,
имеющую
высоту
наполнения z4. Трубы стальные сварные новые. Отметки указаны zi. На
трубе 4 имеется полностью открытая задвижка.
1.
Найти расходы в ветвях, давление в точке С.
Рисунок 3.1 – Схема разветвленного трубопровода
Таблица 2.1 – Исходные данные
Длины участков, м
200
L1
L2
500
L3
600
L4
200
16
Диаметры участков, м
d1
0,30
d2
0,20
d3
0,15
d4
0,40
, кг/м3
800
,
м /с∙10 –4
2
0,15
Давление на скважинах, MПа,
р1
1,2
р2
1,0
p3
1,1
P4
0,3
Геометрические отметки скважин, м
z1
18
z2
15
z3
10
z4
8
zс
8
Трубы стальные, сварные, новые (Δ = 0,06 мм).
Решение
Разобьем сложный трубопровод на простые трубопроводы. Составим
систему уравнений:
17
𝑝1
𝑧1 +
𝜌𝑔
𝑧2 +
𝜌𝑔
𝑧3 +
𝑧𝑐 +
𝑝2
𝑝3
𝜌𝑔
𝑝𝑐
𝜌𝑔
𝑝𝑐
= 𝑧𝑐 +
𝜌𝑔
= 𝑧𝑐 +
𝜌𝑔
= 𝑧𝑐 +
= 𝑧4 +
𝑝𝑐
𝑝𝑐
𝜌𝑔
𝑝4
𝜌𝑔
+ ∑ ℎ1−𝑐 ;
(2.1)
+ ∑ ℎ2−𝑐 ;
(2.2)
+ ∑ ℎ3−𝑐 ;
(2.3)
+ ∑ ℎ𝑐−4 ;
(2.4)
𝑄4 = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 ,
где
(2.5)
𝑧1 , 𝑧2 , 𝑧3 , 𝑧4 , 𝑧𝑐 – геометрические напоры, м;
𝑝1 𝑝2 𝑝3 𝑝4 𝑝𝑐
,
,
,
,
𝜌𝑔 𝜌𝑔 𝜌𝑔 𝜌𝑔 𝜌𝑔
– пьезометрические напоры, м;
∑ ℎ1−2 , ∑ ℎ2−𝑐 , ∑ ℎ3−𝑐 , ∑ ℎ𝑐−4 – потери напора, м;
𝑄1 , 𝑄2 , 𝑄3 , 𝑄4 – расходы жидкости в трубах, кг/c.
2. Обозначим величину 𝑧 +
𝑃
𝜌𝑔
через H. Приведем уравнения системы к
напору в узле С (𝐻𝑐 ):
𝐻𝑐 = 𝐻1 − ∑ ℎ1−𝑐 ;
(2.6)
𝐻𝑐 = 𝐻2 − ∑ ℎ2−𝑐 ;
(2.7)
𝐻𝑐 = 𝐻3 − ∑ ℎ3−𝑐 ;
(2.8)
𝐻𝑐 = 𝐻4 + ∑ ℎ𝑐−4 ;
(2.9)
𝑄4 = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 .
(2.10)
1.Для применения графоаналитического метода задания различными
значениями Q (м3/с) с шагом 0,02 (м3/с)
2.По формуле 𝑣 =
4𝑄
𝜋𝑑2
определяем скорость
18
3.Находим число Рейнольдса: 𝑅𝑒 =
4.Определяем 𝑅𝑒крΙ = 10
𝑑
Δ
𝑣∙𝑑∙𝜌
𝜇
=
𝑣∙𝑑
ν
𝑑
и 𝑅𝑒крΙΙ = 500 ; для новых стальных труб
Δ
Δ = 0,06 мм = 6∙ 10-5м
5.Сравним 𝑅𝑒крΙ и 𝑅𝑒крΙΙ . В случае, если
гидравлически
гладкие
68 0,25
𝜆 = 0,11 ( )
𝑅𝑒
трубы
(зона
𝑅𝑒 < 𝑅𝑒крΙ , то это
гладкого
трения)
и
. Если же 𝑅𝑒крΙ < 𝑅𝑒 < 𝑅𝑒крΙΙ – то это зона смешанного
трения
и
𝜆 = 0,11 (
68
𝑅𝑒
Δ 0,25
+ )
𝑑
. Если же 𝑅𝑒 > 𝑅𝑒крΙΙ – тогда это зона вполне
шероховатого
Δ 0,25
𝜆 = 0,11 ( )
𝑑
трения
и
.
6.Зная коэффициент гидравлического сопротивления, найдем потери
напора:
𝐿
𝑣2
𝑑1
2𝑔
𝐿
𝑣2
𝑑2
2𝑔
𝐿
𝑣2
𝑑3
2𝑔
∑ ℎ1−𝑐 = (𝜆1 1 + 𝜉вр ) 1 ;
(2.11)
∑ ℎ2−𝑐 = (𝜆2 2 + 𝜉вр ) 2 ;
(2.12)
∑ ℎ3−𝑐 = (𝜆3 3 + 𝜉вр ) 3 ;
(2.13)
𝐿
𝑣2
𝑑4
2𝑔
∑ ℎ𝑐−4 = (𝜆4 4 + 𝜉вр + 𝜉пов + 𝜉задвижка + 𝜉вс ) 4 .
где
𝐿1 , 𝐿2 , 𝐿3 , 𝐿4 – длины труб, м;
𝑑1 , 𝑑2 , 𝑑3 , 𝑑4 – диаметры труб, м;
𝜆1 , 𝜆2 , 𝜆3 , 𝜆4 – коэффициенты сопротивления трению;
𝑣1 , 𝑣2 , 𝑣3 , 𝑣4 – средняя скорость потока в трубе, м/c;
(𝜉вр = 1) – потери при внезапном расширении;
19
(2.14)
(𝜉пов = 0,32) – потери при повороте трубы на 45 градусов;
(𝜉задвижка = 0,15) – коэффициент местного сопротивления для открытой
задвижке (потери при наличии полностью открытой задвижки);
(𝜉вс = 0,5) – потери при внезапном сужении.
7.Находим Нст = ∇𝑧 +
𝑃
𝜌𝑔
;
Нс (Q) = Нст – h
8.Строим графики Нс (Q1), Нс (Q2), Нс (Q3). Найдем Нс (Q1 + Q2 + Q3),
складывая графики. Строим Нс (Q4). Определяем точку пересечения Нс (Q4) и
Нс (Q1 + Q2 + Q3)
20