Использование сменных проточных частей в центробежных насосах

Использование сменных проточных частей в центробежных насосах

И.А.Ковалев,* канд. техн. наук, проф.;

С.О.Луговая**,

И.Б.Твердохлеб,*** канд. техн. наук, доц.

* Сумский государственный университет

**ОАО “ВНИИАЭН, г. Сумы

*** ЗАО “Гидромашсервис”, г. Сумы

В статье рассматривается как один из способов расширения диапазона работы насоса применение сменных проточных частей. Предлагаемый подход к модернизации существующих номенклатурных рядов насосов основан на анализе данных по оценке значения подачи начала образования обратных течений на входе и выходе рабочего колеса.

Одним из главных критериев при создании нового насоса является обеспечение его высокой экономичности на расчетном режиме. Данный принцип проектирования приводит к тому, что к уже существующему номенклатурному ряду насосов добавляются новые машины, что вызывает необоснованные производственные и эксплуатационные затраты.

В то же время существуют области применения центробежных насосов, требующие периодического изменения режимов эксплуатации. В нефтедобывающей промышленности по мере разработки месторождения режимы работы нефтяных магистральных насосов могут меняться в широких пределах - от 0,3 - 1,25 Qном насоса. Насосы системы поддержания пластового давления типа ЦНС также эксплуатируются в очень широких диапазонах подач.

Существуют различные способы регулирования режимов работы насосов, такие, как дросселирование, регулирование оборотами и др. При дросселировании мы имеем значительные потери энергии. К тому же работа насоса на режимах, меньших оптимального, сопровождается повышенным шумом и вибрацией. На этом основании стандарт API 610 ограничивает предпочтительную рабочую зону эксплуатации насоса в пределах от 70 до 120 % от оптимальной подачи [1]. Регулирование путем изменения числа оборотов обеспечивает весьма незначительную величину потери мощности, но этот способ регулирования не всегда приемлем и, кроме того, требует применения специальных устройств, удорожающих стоимость агрегата в целом. Таким образом, для режимов работы менее 0,5 - 0,7Qопт требуется применение нового насоса.

Проведенный в ОАО “ВНИАЭН” статистический анализ насосов, спроектированных в разное время, сходных по конструктивному исполнению, имеющих близкие значения напоров и частоты вращения, но отличающихся по подаче в 2 раза, показывает, что за редким исключением все они незначительно отличаются по массе и заводской себестоимости, а также близки по размерам корпусных деталей. Поэтому вместо создания нового насоса можно заменить в существующем только проточную часть, спроектированную на данные параметры, и получить тем самым увеличение к.п.д. на расчетном режиме, а также уйти от работы насоса на режимах неоптимальных подач, приводящей к увеличению вибрации и уменьшению надежности. Подобный подход был осуществлен в ОАО “ВНИИАЭН”, где накоплен достаточно большой опыт по созданию сменных рабочих колес для нефтяных магистральных насосов. В настоящее время существуют серийные сменные роторы для режимов подач 0,5Qном, 0,7Qном, 1,25Qном [2]. Также по индивидуальным заказам, были изготовлены и поставлены, и ныне успешно эксплуатируются сменные роторы для режима 0,3 Qном и сменные роторы для эксплуатации насосов с пониженным значением кавитационного запаса [3].

В 2002 году в результате проведения экспериментальных работ были созданы сменные проточные части (рабочее колесо + направляющий аппарат) для многоступенчатых, секционных насосов типа ЦНС [4]. Анализ технико-экономических показателей насосов ЦНС дает основание утверждать, что насосы, полученные путем применения сменных проточных частей, не уступают насосам, специально спроектированным на заданные параметры. Ниже в таблице 1 приведены показатели насосов типа ЦНС различных заводов-изготовителей. Насосы ОАО “ВНИИАЭН” ЦНС 45-1422-2, ЦНС 63-1422-2, ЦНС 90_1422_2 созданы на базе насоса ЦНС 180_1900_2, а также насосы ЦНС 120-1900 и ЦНС 240_1900 СМНПО им. М. В. Фрунзе созданы на базе насоса ЦНС 180_1900. Насосы производства ОАО “НАСОСЭНЕРГОМАШ” проектировались на конкретно заданные параметры.

Область использования определенного типоразмера насоса можно расширить путем эксплуатации его в заранее оговоренном допустимом диапазоне подач. Это может быть достигнуто за счет изменения частоты вращения, подрезки рабочего колеса, а также изменения параметров проточной части насоса с сохранением его корпусных деталей. К изменениям проточной части можно отнести изменение меридианного сечения рабочего колеса, углов установки лопасти, изменения пропускной способности отвода, применение новых оригинальных решений относительно конструктивного исполнения рабочих колес и отводов, позволяющих в существующих габаритах повысить напорность отдельных ступеней.

Таблица 1 - Сравнение технико-экономических показателей насосов типа ЦНС

Результаты экспериментальных исследований показали, что возможно создание сменных проточных частей в габаритах одного типоразмера для диапазона подач от 0,25Qном до 1,25Qном, при этом обеспечивая высокую экономичность. Балансовые испытания центробежных ступеней говорят о том, что оптимальный режим насоса определяется четко выраженным минимумом гидравлических потерь в отводе, а у рабочего колеса существует достаточно широкая зона с минимальным значением потерь. Поэтому для повышения эффективности использования ступени в некотором диапазоне подач достаточно просто изменить пропускную способность отвода и углов установки лопаток отвода [5]. Однако уменьшение режима меньше некоторого Qкр приводит к появлению обратных течений в самом рабочем колесе. Работа насоса на этих режимах связана с повышенным шумом и вибрацией. Кроме того, увеличенные углы атаки на входной кромке рабочего колеса приводят к резкому увеличению гидравлических потерь. Таким образом, при переходе на эти режимы необходима уже замена рабочего колеса. Величина подачи, при которой начинают возникать обратные токи в рабочем колесе (Qкр), по оценке авторов [6, 7, 8] различна. Значения Qкр на входе в рабочее колесо могут колебаться от 0,5 до 0,8 от оптимальной подачи.

Таким образом, можно предложить схему создания типоразмерного ряда на базе заданного типоразмера насоса. В основу такого подхода предлагается положить данные по оценке значения подачи начала образования обратных течений на входе и выходе рабочего колеса. При подаче от Qном до 0,7Qном - начало образования обратных течений на выходе рабочего колеса - предлагается выполнить изменение пропускной способности и условий входа в направляющем аппарате. При подаче 0,5Qном - начало образования обратных течений на входе рабочего колеса - предлагается замена рабочего колеса. Изложенные предложения проиллюстрированы графически на рис. 1.

Рисунок 1 - Иллюстрация подхода к созданию сменных проточных частей многоступенчатых секционных насосов

Рассматриваемый подход к модернизации существующих рядов насосов позволяет снизить капитальные затраты по их освоению. При этом принципиально важно, что в рамках рассматриваемого подхода не исчезает возможность поиска и использование новых технических решений, например, повышение напорности ступени, что, в свою очередь, значительно расширяет потребительские свойства данного насоса.

В качестве иллюстрации к последнему утверждению в рамках поиска путей повышения напорности отдельных насосных ступеней в многоступенчатых центробежных насосах укажем на одно из возможных, принципиально новых технических решений, которое одновременно вписывается в предлагаемый подход к модернизации рассматриваемого насосного оборудования. Речь в данном случае идет о возможности создания принципиально новой насосной ступени, в которой будет использоваться центробежно-центростремительное рабочее колесо [9].

Первым и основным в данном случае является вопрос: возможно ли создание центростремительного насосного колеса. Анализируя основное уравнение гидравлических машин, можно сформулировать условия, при вычислении которых ответ на поставленный вопрос будет положительным. Попробуем дать качественный ответ на данный вопрос. Воспользуемся схемой рабочего колеса с бесконечным числом бесконечно тонких лопастей. Теоретический напор Hm такого колеса равен:

,(1)

где - окружные скорости на входе и выходе рабочего колеса соответственно;

- абсолютные скорости на входе и выходе рабочего колеса соответственно;

- относительные скорости на входе и выходе рабочего колеса соответственно.

В центростремительной ступени r1>r2, соответственно положительное значение создаваемого такой ступенью напора будет иметь место при соблюдении условия

.(2)

Другими словами, требуется выполнение условия W1>>W2. Для этого следует иметь величину W2=W2min, для чего должно выполняться условие в2=90є (лопасти центростремительного рабочего колеса установлены радиально). Соответственно для соблюдения условия W1=W1max требуется, чтобы в1= в1min. Можно найти такое критическое значение в1, при котором напор центростремительной ступени будет положительным.

Предложенный для рассмотрения и обсуждения материал представляет собой одну из разновидностей использования блочно-модульного принципа конструирования в насосостроении. Мы получаем известные преимущества от использования данного подхода - возможность расширения номенклатуры насосов при сохранении набора основных “кубиков” из которых указанные насосы проектируются. Без привязки к процессу собственно проектирования того или иного насоса из имеющихся “кубиков”, мы имеем возможность проводить работы по расширению номенклатуры последних с целью дальнейшего совершенствования имеющегося и создания нового насосного оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

API 610 Centrifugal Pumps For Petroleum, Heavy Duty Chemical, And Gas Industry Services, 8th Edition, 1995.

Fraser WH: Recirculation in centrifugal pumps // ASME Winter Annual Meeting, 1981. -С. 65-86.

Горгиджанян С.А. Определение параметров потока на входе в колесо многоступенчатого центробежного насоса при гидравлическом торможении // Лопастные насосы / Под редакцией Л.П. Грянко и А.Н. Папира. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние),1975. - 50_66 с.

Грянко Л.П., Зимницкий В.А. Определение структуры потока на входе в рабочее колесо // Лопастные насосы / Под редакцией канд. техн. наук Л.П. Грянко и А.Н.Папира. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние),1975. -21_29 с.

Гусак А.Г., Ковалев И.А., Руденко А.А. Пути повышения напорности промежуточной ступени многоступенчатого центробежного насоса // Тезисы докладов науч.-техн. конф. препод., сотр., асп. и студентов. -Сумы. - СумГУ.-2005.

Иванов В.Г. Изменение параметров центробежного насоса при немодельной корректировке лопаточного отвода // Гидродинамика больших скоростей. -Красноярск, 1978. -№1.

Иванюшин А.А., Куценко В.А., Луговая С.О. Решение некоторых проблем, возникающих при работе нефтяных магистральных насосов на нерасчетных режимах // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - М.- 2004. - № 2.

Стеценко Э.Г. Магистральные насосы для трубопроводного транспорта нефти // Лопастные насосы / Под редакцией канд. техн. наук Л.П. Грянко и А.Н. Папира. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние),1975. - 299_305 с.

Твердохлеб И.Б., Иванюшин А.А., Луговая С. О. Создание сменных проточных частей для насосов типа ЦНС // Насосы & Оборудование. -К., 2003. - №2.