3.4. Гидроимпульсные насосные установки

Конструкции гидроимпульсных насосов или как их называ­ют в общепромышленной практике — гидротаранов были изве­стны еще в прошлом столетии. Научно-конструкторский опыт разработки и применения гидротаранных насосов, гидроимпуль­сных насосов уходит далеко в годы прошлого века. Насосы та­ких конструкций всегда привлекали внимание ученых, изобре­тателей и новаторов в областях водоснабжения и подъема про­дукции нефтяных скважин.

Подъем больших объемов жидкости из скважин глубиной более 3000 м — очень трудная, но актуальная задача. Из имею­щихся на вооружении в нефтяной промышленности техничес­ких средств для подъема жидкости только гидропоршневые аг­регаты могут обеспечить добычу нефти из больших глубин. Од­нако, ввиду сложности и «прецизионности «в эксплуатации рабо­чих узлов гидропоршневых насосов, в частности основных узлов глубинного агрегата «поршневой двигатель — плунжерный на­сос», на практике эти установки не получили широкого распрос­транения. Таким образом, нефтяная промышленность нуждается в разработке более простых и надежных глубиннонасосных уста­новок, возможно, на основе новых принципов работы.

В этом направлении перспективен принцип прямого превра­щения кинетической и упругой энергии силовой жидкости без промежуточных поршневых звеньев в полезную работу по подъе­му жидкости из скважины при помощи глубинных гидроимпуль­сных насосов.

Гидротаран изобретен в 1796 году французом И. Монгольфье (член Парижской академии наук и изобретатель воздушного шара). В 1797 году Монгольфье получил патент на свое изобретение и в 1799 году оно было представлено в Парижскую академию наук.

Гидротаран является насосом объемного типа, служащий для нагнетания жидкости с меньшей высоты на большую (известны примеры подъема гидротаранами жидкости на высоту 200 м) или подачи ее по горизонтали на большие расстояния (3—5 и более километров).

Рис. 3.23. Схема гидротаранной установки

Наибольшая высота падения (высота расположения питатель­ного бака относительно гидротарана) ничем не ограничена, т.к. сила гидравлического удара от нее не зависит. Сила удара зави­сит главным образом от скорости, закрывающей ударный кла­пан, которую можно регулировать весом ударного клапана. Наи­меньшая высота падения, которую может использовать гидротаран, исчисляется сантиметрами, но обычно предпочитают не ставить тараны при высоте падения меньше 1 м.

Предел высоты нагнетания зависит от давления в колпаке, от потерь в нагнетательной нише и может быть легко определен для каждого конкретного случая. Высота нагнетания в большей сте­пени зависит от прочности тарана (колпака) и труб. Минималь­ная высота нагнетания может быть равна нулю или вообще быть меньше высоты падения, если цель установки тарана заключает­ся не в подъеме жидкости, а в подаче ее почти по горизонтали.

Работа гидротаранной установки (как и гидроимпульсного на­соса) основана на принципе преобразования энергии упругих волн силовой жидкости, возникающих при гидравлических им­пульсах, в полезную работу.

Гидравлический таран особенно оригинален автоматичнос­тью работы при крайне простом устройстве. Здесь не требуются специальные приспособления для автоматической работы, так как это «органическое» свойство самого водоподъемника, основан­ное на понижении давления в питательном трубопроводе, вслед­ствие чего открывается ударный клапан, и восстанавливается за­конченный цикл работы. При этом давление в трубе, хотя и на короткий промежуток времени, опускается ниже атмосферного давления независимо от высоты питательного трубопровода.

Теория работы гидравлических таранов с несомненностью показывает возможность нормальной работы таранной установ­ки при использовании высоты падения 20—40 м и больше, при­меняя достаточно прочные конструкции частей или специаль­ные компенсаторы, смягчающие силу гидравлического удара, нисколько не считаясь с атмосферным давлением.

Процесс работы гидротаранной установки включает следующее:

1. Гидравлический таран является водоподъемником в кото­ром двигатель и насос объединены в одной машине очень про­стой конструкции, к тому же работающей автоматически. Дви­жущиеся части тарана — два клапана — установлены так, что повышение давления в питательной трубе закрывает ударный клапан и открывает нагнетательный, а понижение давления дей­ствует в обратном порядке.

2. Смысл работы тарана в том, что он поднимает объем воды Q₂ на высоту Н₂, используя энергию объема жидкости Q, находя­щегося на высоте Н₁ < Н₂. При этом объем воды Q₁ выливается наружу. Следовательно, таран, нагнетая воду, работает тоже во­дой, и для действия его необходим в единицу времени объем воды

Q = Q₁, + Q₂ (3.10)

расположенный выше тарана на Н₁ метров. Из всего погло­щенного объема воды таран нагнетает только некоторую часть.

3. Элементы таранной установки — нагнетательный клапан, воздушный колпак и нагнетательная труба — являются обычными частями почти любой насосной установки. Работа их достаточно изучена и не представляет специального интереса. Элементами, характеризующими гидравлический таран, как особую водоподъ­емную машину и присущими всякой таранной установке, являют­ся питательная труба и ударный клапан. Именно они предопреде­ляют количественные и качественные показатели работы всей ус­тановки. Теория тарана по существу сводится к выявлению работы этих элементов. Следует усвоить, что питательная труба не являет­ся просто проводящей трубой, а есть неотъемлемая рабочая часть машины, а размеры ее не могут быть произвольны.

4. Полный цикл работы тарана ясно разделяется на два ха­рактерных периода. В первый — период разгона — жидкость в питательной трубе приобретает необходимую скорость V₁, т.е. разгоняется. Во второй — период нагнетания — происходит на­гнетание жидкости из питательной трубы в колпак тарана под давлением Н за счет потери скорости V_1.