Турбомашины для перекачивания газожидкостных смесей

Турбомашины для перекачивания газожидкостных смесей

Евтушенко А.А., канд. техн. наук, доц.; Колисниченко Э.В., асп.; Сапожников С.В., канд. техн. наук

Сумский государственный университет

Проблема перекачивания газожидкостных смесей (ГЖС) возникла давно и является важной для многих отраслей промышленности. Свои подходы к ее решению ищут как специалисты в области компрессоростроения [1], так и специалисты в области насосостроения [2]. В данной статье мы остановимся на состоянии этого вопроса в области насосостроения, базируясь на опыте кафедры прикладной гидроаэромеханики (ПГМ) Сумского государственного университета (СумГУ).

В составе современных гидравлических сетей наиболее используемым является насосное оборудование гидродинамического принципа действия. Если пользоваться общепринятой [3] для лопастных насосов величиной коэффициента быстроходности (n_s) их проточной части, то это область параметров с 35n_s1200. Известно, что максимальный КПД лопастных насосов достигнут при n_s150, тогда как при n_s=35 он примерно равен 35-40%. Область особо малых n_s является традиционно областью параметров насосов объемного типа. Однако высокая их стоимость, а также низкая надежность в работе в целом, а на гидросмесях, в частности, чаще всего не устраивает эксплуатирующие их организации.

В сравнении с насосами объемного типа лопастные насосы в случае перекачивания ГЖС этих недостатков лишены, но имеют ряд своих, в том числе низкий КПД и срыв параметров при избыточном газосодержании в перекачиваемой среде.

Проблема срыва параметров является актуальной для всех лопастных насосов. По внешним проявлениям данная особенность идентична более исследованному явлению - кавитационному срыву параметров насоса. Рассматриваемый срыв параметров приводит к полной потере работоспособности гидравлической сети, что чаще всего влечет за собой экономические убытки, существенно превышающие стоимость используемого в ее составе насосного оборудования.

Для предотвращения случаев потери работоспособности гидравлических сетей, работающих на газожидкостных смесях, как правило, используется специальное насосное оборудование, оснащенное дополнительными конструктивными узлами [4]. Его применение позволяет исключить указанные случаи потери работоспособности, но одновременно ведет к повышению себестоимости и снижению надежности в работе таких сетей.

Перекачивание ГЖС требует широкого диапазона изменения напоров и подач используемого насосного оборудования, соответственно существует потребность в насосах с различными значениями коэффициента быстроходности. Принимая во внимание необходимость обеспечения хотя бы относительно высокого уровня их КПД, возникает вопрос об использовании насосов для заданных условий работы с разным конструктивным исполнением их проточной части.

На кафедре ПГМ СумГУ ведутся исследования, направленные на определение степени применимости насосов гидродинамического принципа действия для перекачивания газожидкостных смесей с высоким газовым фактором в разных диапазонах их параметров. При этом основными критериями, которыми определяется выбор конструктивного исполнения проточной части насосов, являются: КПД (), коэффициент быстроходности (n_s), величина критического объемного газосодержания - максимальная концентрация газа в перекачиваемой смеси, после достижения которой происходит срыв параметров насоса (_кр). В ходе этих работ установлено, что в области перекачивания газожидкостных смесей насосами гидродинамического принципа действия наименее обеспеченным соответствующим насосным оборудованием является диапазон параметров, соответствующий значениям быстроходности 60 n_s 300. Согласно представленным в литературе данным хорошо работают на газожидкостных смесях в диапазоне 60 n_s 130 свободновихревые насосы (СВН) типа «Turo» [5], а в диапазоне 130 n_s 300 - центробежные (ЦБ) насосы с рабочими колесами (РК), с малым числом лопастей [6]. Однако имеющиеся по этому вопросу материалы содержат лишь рекламные сведения, а необходимые количественные характеристики отсутствуют.

На устранение указанного пробела, касающегося области перекачивания газожидкостных смесей, на кафедре ПГМ СумГУ проведены исследования работы СВН типа «Turo», а также центробежного насоса с одно- и двухлопастными рабочими колесами. На основании результатов этих работ установлено, что действительно СВН типа «Turo», а также центробежные насосы, имеющие рабочие колеса с малым числом лопастей, устойчиво работают на ГЖС с достаточно высоким газосодержанием в диапазонах быстроходности 60 n_s 130 и 130 n_s 300 соответственно [7,8].

Характеристики данных насосов при различном расходном газосодержании были получены в результате снятия частных характеристик на рабочем интервале при подачах 0,6Q₀, 0,7Q₀, 0,85Q₀, Q₀, 1,1Q₀. Количество впущенного воздуха увеличивалось до прекращения подачи насоса (достижения величины расходного критического газосодержания). Для оценки влияния газа на характеристику насоса использовались соотношения безразмерных коэффициентов напора (), подачи (), мощности () и КПД () к безразмерным коэффициентам этих параметров в точке максимального КПД, полученным при работе насоса на чистой жидкости.

Безразмерные коэффициенты напора, подачи, мощности и КПД в оптимальном режиме для данных насосов при их работе на чистой жидкости представлены в таблице.

Таблица 1 - Основные безразмерные характеристики испытанных насосов

Изменение параметров данных насосов в оптимальной точке в зависимости от газосодержания показано на рис. 1-3.

Риунок. 1 - Изменение параметров СВН типа «Turo» в оптимальном режиме при изменении газосодержания

Рисунок 2 - Изменение параметров ЦБ насоса с двухлопастным РК в оптимальном режиме при изменении газосодержания

Рисунок 3 - Изменение параметров ЦБ насоса с однолопастным РК в оптимальном режиме при изменении газосодержания

Из рисунков видно, что максимальная величина критического объемного газосодержания для СВН типа «Turo» составляет _кр=0,45, ЦБ насоса с двухлопастным РК - _кр=0,32, ЦБ насоса с однолопастным РК достигает значения _кр=0,5.

Следует отметить тот факт, что при увеличении уровня газосодержания в случае СВН типа «Turo» от 0 до 0,035 для ЦБ насоса с двухлопастным РК - от 0 до 0,07, с однолопастным РК - от 0 до 0,12 наблюдается рост всех параметров насоса по сравнению с чистой жидкостью. Это же явление описано в работе [9], где говорится о том, что при уменьшении числа лопастей рабочего колеса центробежного насоса (с семи до трех), работающего на ГЖС с небольшим количеством газа (в0,022), его параметры слегка возрастают по сравнению с чистой жидкостью. Причина такого явления авторами не была раскрыта. Однако авторы данной статьи придерживаются мнения, что причина этого явления заключается в уменьшении плотности ГЖС по сравнению с чистой жидкостью, что и ведет к росту параметров насоса. Аналогичное явление используется в эрлифтных установках, где подъем газожидкостной смеси, осуществляется за счет уменьшения плотности этой смеси по сравнению с чистой жидкостью [10].

При дальнейшем увеличении количества газовой фазы в смеси параметры насосов падают. Это можно объяснить тем, что наряду с уменьшением плотности перекачиваемой газожидкостной смеси по мере увеличения количества в ней газа происходит изменение структуры смеси. В настоящее время принято считать, что все разнообразие структур газожидкостных смесей может быть сведено к четырем основным группам (рис. 4):

Рисунок 4 - Структура газожидкостных смесей

а) пузырьковое течение - газовая фаза в виде отдельных пузырьков различной величины и формы равномерно распределена в среде жидкости (рис. 4 а), которая является дисперсионной средой;

б) пробковое (четочное) или снарядное течение - часть газовых пузырей сливается и занимает почти все поперечное сечение трубы, образовавшиеся крупные пузыри имеют характерную снарядообразную форму и следуют по трубопроводу друг за другом, разделенные слоем жидкости или газожидкостной смесью (рис. 4б);

в) кольцевое (осевое) течение (стержневой режим) - на стенках трубопровода имеется движущийся слой жидкости или пленка, в центре трубопровода движется газовый поток (рис. 4в);

г) дисперсное течение (режим тумана) - все сечение трубы занято газовым потоком со взвешенными в нем капельками жидкости (рис. 4 г).

Указанные режимы в известном смысле являются идеализированными, и в чистом виде получить их очень трудно. На практике наиболее часто встречаются так называемые переходные режимы: пузырьково-снарядный, снарядно-кольцевой и т.п. Переход из одного режима к другому происходит, как правило, по мере увеличения объемного расхода газовой фазы [10].

Благодаря проведенной визуализации рабочего процесса в СВН типа «Turo» было установлено, что рост параметров насосов происходит на начальных режимах течения ГЖС, т. е. когда наблюдается пузырьковое течение, а также на начальной стадии пузырьково-снарядного.

По мере увеличения газовой фазы в смеси происходит переход к снарядному течению. В этом случае происходит рост газовых пузырьков, что ведет к уменьшению выходного сечения насоса, а значит, и к падению его параметров.

При дальнейшем увеличении количества газа в ГЖС происходит переход к кольцевому режиму течения, что ведет к запиранию увеличивающимся воздушным пузырем выходного канала СВН типа «Turo», т.е. происходит прекращение подачи насоса - явление срыва параметров.

Так как в ходе исследований работы центробежного насоса с одно- и двухлопастными рабочими колесами способ визуализации рабочего процесса не использовался, поэтому место, где в этом случае происходит запирание газовым пузырем, остается неопределенным.

На основании представленной работы можно сделать следующие выводы:

1) наименее исследованный в области перекачивания насосным оборудованием газожидкостных смесей диапазон быстроходности - 60 n_s 300;

2) установлено, что заполнить этот диапазон можно применением таких насосов, как СВН типа «Turo» (60 n_s 130), а также центробежных насосов с малым числом лопастей (130 n_s 300);

3) определена максимальная величина критического объемного газосодержания таких насосов: для СВН типа «Turo» она равна _кр=0,45, ЦБ насоса с двухлопастным РК - _кр=0,32, ЦБ насоса с однолопастным РК - _кр=0,5;

4) установлены три стадии работы СВН типа «Turo» на ГЖС:

а) начальная - происходит рост параметров насоса по сравнению с чистой жидкостью, что объясняется падением плотности смеси;

б) падение параметров возникает из-за изменения структуры потока, а также увеличения размеров газовых пузырьков, вследствие чего происходит уменьшение проходного сечения насоса;

в) прекращение подачи возникает в результате запирания выходного сечения СВН типа «Turo» растущим газовым пузырем;

5) для выяснения сечения, где именно происходит процесс запирания в центробежном насосе с одно- и двухлопастными рабочими колесами, существует потребность в визуализации рабочего процесса данного насоса.

Summary

The article justifies the selection of free-vortex pumps of «Turo» type, as well as centrifugal pumps with low number of blades, in order to study their operation at gas-liquid mixtures. The results of research of these pumps are presented.

Список литературы

1. Григорьев В.П. Мощность мокровоздушного вакуум-насоса типа РУТС // Повышение технического уровня, надежности и долговечности компрессоров и компрессорных установок // Тез. докл. VII Всесоюзн. науч.-техн. конф. - Казань, 1985. - 142 с.

2. С.В. Сапожников. Перекачивание газожидкостных смесей динамическими насосами // Праці II Респуб. наук.-техн. конф. "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці". - Черкаси: ЧІТІ. - 1998. - С. 81-86.

3. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. - М.: Машиностроение, 1977. - 288 с.

4. Караханьян В.К. Новые насосы для перекачивания неабразивных веществ, волокнистых масс и газонасыщенных суспензий // Качество и эффективность насосного оборудования // Труды ВНИИ Гидромаш, 1984. - С. 3-16.

5. Kikuyama K, Minemura K. and other. Effects of entrained air upon a vortex pump performance. - Proc. 8th Conf. Fluid Mach. Vol. 1, Budapest, - 1987. - P. 358-365.

6. The secrets of successflue submersible sewage pumps // World pumps. - 1999. - № 394. - Р. 38-42.

7. А.А. Евтушенко, С.В. Сапожников, В.А. Соляник. Коэффициент полезного действия свободновихревого насоса типа “Turo” при работе на чистой жидкости и на газожидкостной смеси // Вестник НТУУ “КПИ”. -М.: Машиностроение. - 1999. - Вып. 36. - Т. 1. - С. 249-255.

8. Евтушенко А.А., Колисниченко Э.В. Влияние двухфазного газожидкостного потока на характеристику центробежного насоса с малым числом лопастей // Сб. научн. трудов. - Харьков: Ин-т проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины. - 2003. - Т. 2. - С. 539-542.

9. Murakami M. and other. Effects of Entrained Air on the Performance of Centrifugal Pumps Under Cavitating Conditions. - Bulletin of the JSME. Vol. 23, №183 - 1986. - Р. 1435-1442.

10. Ф.А. Папаяни и др. Энциклопедия эрлифтов. - Донецк, 1995. - С.12-18.