Підвищення напору шнекових ступенів свердловинних насосів шляхом використання розрізних лопатей робочих коліс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Сумський державний університет

05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення напору шнекових ступенів свердловинних насосів шляхом використання розрізних лопатей робочих коліс

Шепеленко Олександр Олександрович

Суми - 2012

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки Сумського державного університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Гулий Олександр Миколайович, Сумський державний університет доцент кафедри "Прикладна гідроаеромеханіка".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кононенко Анатолій Петрович, Державний вищий навчальний заклад "Донецький національний технічний університет", завідувач кафедри "Енергомеханічні системи".

кандидат технічних наук Єлін Олександр Валерійович, ВАТ "Науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут атомного і енергетичного насособудування", м. Суми, заступник директора з науково-дослідних робіт.

Захист відбудеться "30" листопада 2012 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р. - Корсакова, 2, СумДУ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Сумського державного університету за адресою: м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

Автореферат розісланий: "30" жовтня 2012 р.

Анотації

Шепеленко О.О. "Підвищення напору шнекових ступенів свердловинних насосів шляхом використання розрізних лопатей робочих коліс". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. - Сумський державний університет, Суми, 2012 р.

У дисертаційній роботі наведене нове вирішення наукової задачі, що полягає у підвищенні напору шнекових ступенів свердловинних насосів, яке досягається використанням розрізних лопатей робочих коліс. При цьому в робочому процесі ступеня має місце додатковий гідродинамічний фактор - швидкісна струмина, що витікає з зазору між рядами лопатей і чинить вплив на структуру течії в робочому колесі. На адекватних математичних моделях отримано картини течії в робочому колесі шнекового типу з розрізними лопатями, які дають можливість якісної оцінки розподілів швидкостей та тисків в ступені, що досліджується, а також визначення геометричних параметрів, що найбільш суттєво впливають на енергетичні характеристики ступеня. Експериментально встановлено оптимальні співвідношення основних геометричних параметрів, що дає можливість збільшити напір ступеня на 40% у порівнянні до вихідного при тому ж рівні економічності та технології виготовлення. Встановлено вплив окремих геометричних параметрів робочого колеса з розрізними лопатями на характеристики ступеня, що дає змогу проводити оптимізацію за різними параметрами в залежності від вимог, що висуваються. Доповнено та розширено методику інженерного розрахунку насосних ступенів шнекового типу з урахуванням особливостей робочого процесу шнекових коліс з розрізними лопатями.

Ключові слова: багатоступеневий насос, шнековий ступінь, робоче колесо, розрізна лопать, пограничний шар, швидкісна струмина.

Шепеленко А.А. "Повышение напора шнековых ступеней скважинных насосов путем использования разрезных лопастей рабочих колес". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. ? Сумской государственный университет, Сумы, 2012 г. шнековий насос свердловинний

В диссертационной работе решается важная научно-практическая задача повышения технического уровня скважинных насосов, предназначенных для добычи нефтесодержащих жидкостей. В связи с растущими объемами необходимой жидкости для систем поддержания пластового давления, обоснована необходимость использования осевых ступеней шнекового типа в качестве насосных ступеней погружных насосов. На основании обзора научно-технической информации для устранения основного недостатка таких ступеней (невысокие значения развиваемых ступенями напоров) определены возможные пути решения данной проблемы. В силу особенностей рабочего процесса шнековой ступени, рабочее колесо которой в развертке дает решетку прямых пластин, наиболее перспективным путем повышения напора представляется увеличение угла атаки на входе в рабочее колесо. Для предотвращения образования значительных отрывных зон на тыльной стороне лопасти (вследствие увеличенного угла атаки) рассмотрены возможные варианты влияния на пограничный слой в области отрыва. Малые размеры и многоступенчатость конструкции насоса делают невозможным влияние на зону отрыва потока путем введения энергии от внешнего источника. Пассивное управление пограничным слоем на тыльной стороне лопастей рабочего колеса шнековой ступени в составе многоступенчатого погружного насоса достигнуто за счет использования дополнительной лопастной решетки в рабочем колесе. Такое решение дает возможность увеличить разницу циркуляций входа и выхода рабочего колеса, поскольку в отличие от шнека постоянного шага в уравнении напора ступени помимо угла атаки добавляется разница углов установки первого и второго рядов лопастей. При этом в рабочем процессе ступени необходимо учитывать наличие дополнительного гидродинамического фактора - скоростной струи, которая вытекает из зазора между рядами лопастей и оказывает существенное влияние на структуру течения в рабочем колесе и, как следствие, на характеристики ступени в целом. На адекватных математических моделях получены картины течения в рабочем колесе шнекового типа с разрезными лопастями, дающие возможность качественно оценить поля распределения скоростей и давлений в исследуемой ступени, а так же определить геометрические параметры, оказывающие наиболее существенное влияние на энергетические характеристики ступени. Экспериментально установлены оптимальные соотношения основных геометрических параметров, дающие возможность увеличить напор ступени на 40% по отношению к исходному при том же уровне экономичности и технологичности изготовления. Установлено влияние отдельных геометрических параметров рабочего колеса с разрезными лопастями на характеристики ступени, что дает возможность проводить оптимизацию по различным параметрам в зависимости от предъявляемых требований. Дополнена и расширена методика инженерного расчета насосных ступеней шнекового типа с учетом особенностей рабочего процесса шнековых колес с разрезными лопастями.

Ключевые слова: многоступенчатый насос, шнековая ступень, рабочее колесо, разрезная лопасть, пограничный слой, скоростная струя.

Aleksandr A. Shepelenko "Application of the Impeller Split Blades to Increase the Borehole Screw-Type Pump Stages' Head Pressure ". ? the manuscript.

Technical sciences candidate's thesis on speciality 05.05.17 - Hydraulic machines and hydropneumatics aggregates. - Sumy State University, Sumy, 2012.

The increase of the borehole pump screw-type stages' head pressure has been achieved on the basis of the split-bladed screw being applied as an impeller. The obtained solution enables the impeller to increase the circulation difference between inlets and outlets so far as it adds the angular disparity between the first and the second row of blades to the incidence angle, as opposed to a fixed lead screw in the stage head pressure equation. With that the occurrence of an additional hydraulic factor is to be considered in the process of operation that is the occurrence of a high-speed jet which flows out of the gap between the rows of blades and exercises significant influence on the flow structure of the impeller and, as a result, the pump stage's characteristics integrally. The patterns of flow in a screw-type split-bladed impeller have been obtained on the relevant numerical schemes so that the velocity and pressure distribution field patterns in the pump stage can be qualitatively evaluated. The geometrics exerting the most impact upon the energy characteristics of the stage can be identified as well. The main optimal correlated geometrics have been found experimentally which allows increasing the stage's head pressure by 40 per cent as opposed to the initial one under the same affordability and manufacturability terms. The effect of the separate split-bladed impeller's geometrics upon the stage's characteristics has been ascertained which allows optimization in various directions according to definite requirements and specifications. The engineering methodology of the screw-type pump stages calculation considering the operation characteristics of the screw-type split-bladed impeller has been complemented and expanded.

Keywords: multistage pump, screw-type stage, impeller, split-type blade, boundary layer, high-speed jet.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На даний час для підйому пластової води для потреб системи підтримки пластового тиску нафтових родовищ застосовуються переважно заглибні насосні агрегати типу електроприводні відцентрові для нафти (ЕЦН) зі ступенями відцентрового або діагонального типів. Для отримання високих показників, насамперед подачі, в умовах жорстко обмежених радіальних габаритів необхідно використовувати осьові насоси. Їх основний недолік полягає у відносно низькому напорі, що призводить до збільшення необхідної кількості ступенів, і, як наслідок, до збільшення загальної довжини насоса. Крім суттєвого подорожчання це також викликає технічні ускладнення при монтажу і експлуатації насоса, які можуть стати критичними. Масове виробництво робочих органі з лопатями складної просторової форми при відносно невеликих розмірах (умовні габарити 5, 5А та 6 відповідають максимальні зовнішні діаметри робочих коліс 75, 85 та 94 мм відповідно) досить складне, а якщо є необхідність застосування легованих матеріалів з підвищеними механічними властивостями в більшості випадків технологічно не виправдане. Доцільним вбачається використання більш технологічних осьових ступенів зі спрощеною геометрією, розроблених на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки (ПГМ) Сумського державного університету (СумДУ). Ці ступені складаються із шнекового робочого колеса (лопаті профілюють за законом гвинта постійного кроку) і статорного апарату з лопатевою системою у вигляді прямих радіальних лопаток. Для поширення їх застосування та зменшення матеріалоємності доцільним є підвищення напору ступеня.

Таким чином, тема дисертаційної роботи є актуальною, оскільки дослідження можливостей використання в свердловинних насосних агрегатах малогабаритних ступенів шнекового типу з розрізними робочими колесами для підвищення напору за умови збереження рівня економічності та технологічності виготовлення дає можливість створення вітчизняного насосного обладнання для нафтогазового комплексу, з більш високими техніко-економічними показниками у порівнянні до досягнутого рівня.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом науково-дослідних робіт кафедри прикладної гідроаеромеханіки Сумського державного університету відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України та реалізована при виконанні держбюджетних науково-дослідних робіт (замовник Міністерство освіти і науки України): "Наукові основи технічного забезпечення енергозберігаючих технологій в гідропневмосистемах" (ДР № 0103U000769), "Дослідження нетрадиційних шляхів перетворення енергії в рідинах і газах та створення на їх основі прогресивного обладнання для гідросистем" (ДР № 0106U001935).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - підвищення напору малогабаритного шнекового ступеня свердловинного насоса без втрати економічності.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі дослідження:

- визначити фізичну природу підвищення напору шнекового насосного ступеня з розрізним робочим колесом;

- розробити математичну модель робочого процесу шнекового ступеня з розрізним робочим колесом та визначити співвідношення геометричних та гідродинамічних параметрів, які дозволять досягти найбільшого напору;

- виконати перевірку можливості застосування розрахункового методу дослідження шнекового насосного ступеня для визначення його енергетичних характеристик;

- розробити методику інженерного розрахунку шнекового насосного ступеня з розрізним робочим колесом;

- спроектувати вітчизняний свердловинний насос та виконати аналіз можливих шляхів подальшого вдосконалення насосних ступенів шнекового типу.

Об'єкт дослідження. Робочий процес малогабаритного насосного ступеня шнекового типу з розрізними лопатями робочого колеса.

Предмет дослідження. Енергетичні характеристики малогабаритного насосного ступеня, до складу якого входить шнекове робоче колесо з розрізними лопатями.

Методи дослідження. При проведенні теоретичних досліджень використані методи математичного моделювання на основі класичних рівнянь механіки рідини та газу (рівняння Рейнольда, нерозривності, переносу характеристик турбулентності та рівняння динаміки гідромеханічних систем). Математичні моделі є сукупністю нелінійних алгебраїчних, диференційних рівнянь у часткових та повних похідних. Вірогідність наукових результатів роботи обумовлена застосуванням апробованих методів дослідження, відповідністю прийнятих припущень характерові розв'язуваних задач, адекватністю математичних моделей. Фізичний експеримент, як складова частина дослідження, включав в себе випробування малогабаритного ступеня шнекового типу підвищеної напірності. Точність та достовірність отриманих експериментальних даних забезпечено використанням методики проведення випробувань, що відповідає міждержавному стандарту ДСТУ 6134-2009 (ИСО 9906:1999) "Насоси динамічні. Методи випробувань", а також допустимою похибкою вимірювання фізичних величин.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше обґрунтовано застосування розрізних лопатей в робочому колесі ступеня шнекового типу для підвищення його напору за рахунок позитивного впливу течії у щілині між лопатями;

- вперше розроблено фізичну модель течії в шнековому робочому колесі з розрізними лопатями, на підставі якої розроблено математичну модель робочого процесу, що дозволяє визначити теоретичний напір шнекового ступеня з розрізним робочим колесом з урахуванням особливостей течії в останньому та удосконалити методику проектування таких робочих коліс.

- на основі проведених фізичних експериментів встановлено фактичні залежності напору шнекового ступеня, до складу якого входить робоче колесо з розрізними лопатями, від геометричних параметрів його лопатей, для експериментального уточнення розробленої математичної моделі, що дозволило встановити їх оптимальні співвідношення для досягнення найбільшого підвищення напору.

- вперше виявлено, що робочий діапазон подач шнекових ступенів з розрізними лопатями робочого колеса становить від (0.5…1.1) Qном проти традиційного (0.9…1.1) Qном, що дозволяє експлуатувати насос в більш широкому діапазоні режимів роботи, розширює можливості регулювання роботи такого насоса та дозволяє експлуатувати насос у свердловинах із змінним дебітом у часі.

Практичне значення одержаних результатів для насособудування полягає в наступному:

? вдосконалено робочі органи шнекового типу, застосування яких в багатоступеневих конструкціях свердловинних насосів забезпечує їх конкурентоспроможність;

? сформульовано рекомендації щодо вибору геометричних і гідродинамічних параметрів шнекових насосних ступенів з розрізними лопатями для отримання відносно високих значень напору за умови збереження рівня економічності;

- доповнена та розширена методика інженерного розрахунку шнекових насосних ступенів з розрізними лопатями з урахуванням особливостей, що привносяться удосконаленою лопатевою системою робочого колеса;

? створено передумови для розробки типорозмірного ряду свердловинних насосів на основі шнекового ступеня з розрізними лопатями, що досліджувався;

? спроектовано та виготовлено вітчизняний свердловинний насос з покращеними техніко-економічними показниками, який впроваджено на ВАТ "Сумихімпром".

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, автору належать:

У роботі [1] здобувач виконав аналіз можливостей використання комбінованого робочого процесу в малогабаритних насосних ступенях шнекового типу. У роботі [2] здобувач виконав оцінку можливості переходу на більш високі швидкості обертання. У роботі [3] здобувач брав участь в аналізі можливих шляхів підвищення напірності. У роботі [4] здобувач виконав огляд науково-технічної інформації стосовно досвіду застосування розрізних лопатей. У роботі [5] здобувач брав участь в аналізі результату застосування розрізних лопатей в робочому колесі шнекового типу багатоступеневого насоса. У роботі [6] здобувач брав участь в модернізації та випробуваннях свердловинних насосів як безпосередній виконавець. У роботі [7] здобувач розробив фізичну модель течії в шнековому робочому колесі з розрізними лопатями.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися й обговорювалися на:

- XII Міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання" (м. Харків 2006);

- VIII та X Науково-технічних конференціях АС ПГП "Промислова гідравліка і пневматика" (м. Мелітополь 2007 р. та м. Львів 2009 р.);

- XII Міжнародній науково-практичній конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці" до 50-ліття кафедри "Гідрогазодинаміка" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Луганськ 2007 р.);

- XIII Міжнародній науково-технічній конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці" присвяченій 110-літтю НТУУ "КПІ" та 110-літтю Механіко-машинобудівного інституту НТУУ "КПІ" (м. Київ 2008 р.);

- XIV Міжнародній науково-технічній конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці" (м. Чернівці 2009 р.);

- науково-технічних конференціях викладачів, співробітників, аспірантів і студентів СумДУ (щорічно з 2006 р. по 209 р. включно).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 наукових праць у фахових виданнях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Повний обсяг дисертації 150 сторінок, 63 рисунки і 6 таблиць за текстом, 4 додатки на 11 сторінках, список використаної літератури з 123 джерел на 11 сторінках.

Основний зміст

У вступі наведено кваліфікаційні ознаки дисертації і сформульовано напрямок досліджень, пов'язаний з підвищенням напору шнекових насосних ступенів багатоступеневих свердловинних насосів за рахунок застосування розрізних лопатей робочих коліс, й обґрунтована їхня актуальність.

В першому розділі зроблено аналіз сучасних умов застосування багатоступеневих свердловинних насосів в нафтогазовому комплексі, проблем, пов'язаних з їх розробкою, виготовленням та експлуатацією, а також можливих перспектив розвитку.

На сьогодні в Україні продовжується імпорт насосів для видобутку нафти з Російської Федерації. За даними ВАТ "Укрнафта" він складає близько 4 млн дол. США на рік. При цьому зазначені електронасосні агрегати комплектуються двигунами українського виробництва (Харківський електромеханічний завод). Було зроблено декілька спроб створення вітчизняних насосів з вітчизняними електродвигунами, проте вони не зазнали успіху. На перешкоді стали значні технологічні складності при виготовленні робочих органів. Заготовка - мало розмірна відливка з легованого матеріалу, виготовлення якої супроводжується значним відсотком браку. Цю проблему намагалися вирішити в НАН України та ряд інших вітчизняних організацій, проте суттєвих успіхів на цьому шляху не було досягнуто. Рішення було знайдено на кафедрі ПГМ СумДУ, а саме - замінити відцентрові робочі органи на осьові, шнекового типу. Виготовляти робочі органи шнекового типу для свердловинних насосів можна за допомогою традиційного універсального металообробного обладнання (токарно-гвинторізні та фрезерувальні верстати), що в повній мірі вирішує технологічні проблеми. Застосування шнеків має досить довгу історію у зв'язку з розвитком паливних насосних агрегатів для літаків та ракет. Перенести це рішення на свердловинні насосні агрегати типу ЕЦН запропоновано в роботі Єліна О.В., який розробив теорію розрахунку і проектування шнекових насосних ступенів для даного типу насосів. Основним висновком з отриманого досвіду можна вважати наступне: шнекові насосні ступені можна застосовувати за умови усунення їх основних недоліків, а саме, незадовільні форми характеристик шнекового насосного ступеня (напору та потужності) та невисокий напір ступеня.

На кафедрі ПГМ СумДУ послідовно виконувалися роботи, спрямовані на вдосконалення даного типу робочих органів. В роботі Каплуна І.П. представлено дослідження технічного рішення, яке дозволяє вирішити задачу покращення форми характеристики шнекового насосного ступеня. Воно передбачає виконання в каналах напрямних апаратів пазів певних розмірів та форми. При такому підході форма характеристики шнекового ступіню виправляється, проте неминуче втрачається 7% ККД.

Літературний огляд показав, що зважаючи на особливості конструкції (велика кількість ступенів та їх відносно малі розміри) найбільш доцільним з усіх можливих варіантів підвищення напору є збільшення кута атаки. Реалізація даного рішення можлива лише за умови ефективного впливу на зону відриву, що утворюється на тильній стороні лопаті при збільшенні кута атаки. В даному випадку вплинути на зону відриву представляється можливим за рахунок перерозподілу енергії потоку в робочому колесі без використання зовнішніх джерел. Це може бути реалізовано шляхом виконання розрізних лопатей робочих коліс (рис. 1).

а) б)

Рисунок 1. - Шнекові насосні ступені. Зовнішній вигляд:

а) базовий варіант; б) перспективний варіант.

Проведений аналіз досвіду застосування розрізних лопатей в осьових робочих колесах насосів різного призначення, а також в ступенях осьових компресорів однозначно вказує на можливість впливу на структуру потоку і дає підстави очікувати підвищення напору шнекових ступенів у складі багатоступеневого свердловинного насоса.

Отже на основі проведеного літературного огляду, теоретичних та експериментальних досліджень сформульовано мету і задачі досліджень.

У другому розділі докладно розкрито мету дослідження, об'єкт дослідження а також засоби та найбільш раціональні шляхи досягнення поставленої мети.

У розрахунково-аналітичній частині дослідження розроблено математичну модель, а також програму для чисельного розрахунку обтікання дворядної решітки профілів, складеної з прямих пластин (рис. 2).

Рисунок 2. - Розрахункова схема двохрядної решітки профілів.

Математична модель побудована на основі рівняння нерозривності та умові потенціальності течії абсолютного потоку з проекціями швидкості Vx та Vy:

(1)

Рішення даної системи рівнянь для періодичної вздовж осі абсцис області у комплексних змінних знаходиться для відносного потоку W при швидкості незбуреного потоку W0 за формулою:

, (2)

Для рішення рівняння (2) необхідно задати граничні умови. У випадку нев'язкої рідини для абсолютного потоку виконаємо умову не протікання. Для нормалі n :

,

а якщо рідина рухається з переносною швидкістю u, то

,

або для відносного потоку

wn=0.

Якщо розкласти відносну швидкість W на складові Wx та Wy, отримаємо:

, (3)

при проекціях швидкості

,

,

Аналітичне визначення значень наведених вище інтегралів неможливе за умови невизначеної наперед функції W(s), і це зумовлює застосування чисельних методів, у яких інтеграл заміняється сумою інтегралів по окремим областям інтегрування. Для окремих областей визначається декілька значень підінтегральних функцій і отриманий набір значень апроксимується обраними функціями. Найпоширенішими та теоретично обґрунтованими є алгебраїчні багаточлени. Для визначення значень інтегралів скористаємося формулою трапецій, за умови застосування якої:

,

,

при W(s)ds=j, та позначеннях ядер інтегралів через Kxij та Kуij.

Для кожної із точок, у яких контролюється умова непротікання твердої стінки сформуємо дану умову на основі граничних умов (3) наведених вище виразів для проекцій швидкості. Таким чином маємо наступне рівняння для визначення Гj:

(4)

де cos nx =sin , cos ny=cos - напрямні косинуси нормалі.

Якщо у лівій частині залишити доданки з невідомими Гj, =1,2,3, …, n, а у праву частину - доданки з відомими величинами, то будемо мати систему лінійних алгебраїчних рівнянь:

(5)

де Г - вектор невідомих циркуляцій;

А - матриця коефіцієнтів;

В - вектор граничних умов

; (6)

(7)

i = 0,1,2 … n-1; j= 0,1,2 … n-1.

Система рівнянь (5), (6), (7) вирішується шляхом матричної факторизації при розкладанні матриці А на дві трикутні матриці L та U.

Рисунок 3. - Розрахункова схема дискретизації моделі.

Для задач стаціонарного обтікання профілів необхідною умовою є дотримання постулату Жуковського-Чаплигіна. Аналіз даного аспекту задачі показав, що необхідною умовою обмеженості швидкостей на вихідній кромці є схід нульової (пристінної) лінії струму безпосередньо з кромки. Виконання умови не протікання у точці вихідної кромки якраз і забезпечує виконання вимог постулату.

Для перевірки викладених вище міркувань, а також правильності складання програми чисельного рішення, останню було протестовано на рішенні більш простої задачі, а саме, обтікання решітки плоских пластин потенціальним потоком ідеальної рідини. Перевірку адекватності отриманих результатів виконано шляхом їх порівняння з результатами розв'язання цієї ж задачі за методиками, викладеними трьома авторами - Кочін М.Є., Вікторов Г.В., Сєдов Л.І.

Безвідривність течії перевірялась розрахунком течії у турбулентному пограничному шарі методом інтегральних співвідношень Бурі.

Дослідженнями на розробленій моделі встановлено, що найбільше підвищення напору ступеня досягається при мінімальних зазорі та перекритті S.

Обрані діапазони співвідношення геометричних параметрів більш детально досліджувалися сучасними методами обчислювальної гідромеханіки та засобами фізичного експерименту.

В рамках другого методу проведення дослідження наведено методику та зазначено, що на даному етапі найбільш доцільним шляхом для одержання даних про характер течії в шнековому ступені до складу якого входить робоче колесо з розрізними лопатями, є метод чисельного моделювання турбулентної течії за осередненими рівняннями Рейнольда. Достовірність результатів чисельного моделювання може бути підтверджена їх порівнянням з результатами фізичного експерименту (рис 4).



Рисунок 4. - Порівняння результатів експериментів:

----- - чисельний розрахунок з використанням програмного продукту ANSYS CFX;

- - - - фізичний експеримент (з фіксованим положенням робочого колеса).

Викладено опис експериментального стенду, засобів вимірювання, а також методику проведення дослідження та оцінки похибок вимірювання фізичних величин.

У третьому розділі розроблено фізичну модель течії в шнековому насосному ступені з робочим колесом з розрізними лопатями. В її основу покладено схему робочого процесу та трикутники швидкостей на вході та виході робочого колеса представлені на рисунку 5.



Рисунок 5. - Схема робочого процесу насосного ступеня шнекового типу з розрізним робочим колесом та заокругленими лопатками статорного апарату.

Наведена схема підтверджується картинами течії, отриманими за допомогою чисельного моделювання, що приводяться нижче.

Рисунок 6. - Лінії течії в робочому колесі. Розгорнуто по діаметру, що відповідає середині висоти лопаті.	Рисунок 7. - Вектори відносної швидкості в площині між лопатями першої та другої решіток.

Як видно з рисунку 6 потік натікає на лопать першої решітки під невеликим кутом атаки (близько 2-3є), обтікає лопать без утворення відривної зони і сходить під кутом, близьким до кута установки лопаті першого ряду. Напір, який вона створює, дає можливість створити поблизу вхідної кромки лопатей другої решітки струмину, швидкість якої повинна перевищувати швидкість основного потоку. Проте, деякою мірою напір першої решітки витрачається також на подолання сил тертя та лобового опору її лопатей. На лопаті другої решітки натікання відбувається під відносно великим кутом атаки (він може складати близько 30 - 35є). Дана лопать і створює основний напір розрізного колеса. Для порівняння можна сказати, що у традиційного шнекового колеса, спроектованого на максимальну економічність за умов відсутності кавітації, оптимальним вважається кут атаки близько 10є. При більших значеннях кута атаки в традиційних шнеках спостерігається зрив параметрів (западаюча ділянка напірної характеристики), проте в шнековому робочому колесі з розрізними лопатями значному відриву потоку з тильної сторони напірної лопаті перешкоджає струмина, яка протікає через зазор, утворений рядами лопатей (рис. 6 та 7). Це дає можливість повернути потік в розрізному робочому колесі на значно більший кут (до 35 - 40є) ніж в звичайному шнековому і, як наслідок, збільшити напір ступеня. Також в даному випадку позитивну роль відіграє ефект Коанда. Суть даного фізичного ефекту полягає у прилипанні струмини, що витікає з сопла чи насадку поблизу твердої стінки до останньої. Однак, подальше збільшення кута установки лопатей другої решітки супроводжується інтенсивним вихроутворенням (енергії струмини недостатньо для того, щоб притиснути відривну зону до лопаті), і, як наслідок, супроводжується зменшенням напору і ККД ступеня.

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рисунок 8. - Лінії течії в робочому колесі та напрямному апараті:

а) напрямний апарат, складений з плоских пластин;

б) напрямний апарат, складений з заокруглених пластин.

Швидкість струмини, що протікає через зазор між рядами лопатей, більше ніж удвічі перевищує швидкість основного потоку як на розрахунковому режимі, так і на режимах недовантаження та перевантаження, що дає їй можливість досить ефективно здувати рідину з низькою енергією з тильної сторони другої частини колеса в достатньо широкому діапазоні подач (рис. 9). Цим пояснюється наявність на характеристиках ступеня пологого максимуму ККД.

Збільшення кута повороту потоку в решітці робочого колеса відповідно призводить до збільшення кута атаки і в напрямному апараті (рис. 8,а), що супроводжується значним вихроутворенням в останньому, і, як наслідок, зменшенням ККД ступеня. Зважаючи на прагнення зберегти технологічність виготовлення шнекових ступенів на тому ж високому рівні, а також через необхідність розміщення в каналах напрямного апарату пристрою для виправлення форми характеристик було прийнято виконати лопатки напрямного апарату заокругленими. Довжина заокругленої ділянки складала третину від загальної довжини лопатки, радіус заокруглення підбирався таким чином, щоб кут установки передньої кромки був близьким до напрямку течії на вході в напрямний апарат. Результати чисельного моделювання за допомогою програмного продукту ANSYS CFX (рис. 8,б) а також експериментальні дослідження підтвердили, що виконання передньої частини лопаток напрямного апарату заокругленими дозволяє позбутися зниження ККД і на відміну від форми лопаток, що мають вигляд частин циліндричних поверхонь не ускладнює технологію виготовлення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Q<Qопт Q=Qопт Q>Qопт

Рисунок 9. - Лінії течії в шнековому робочому колесі на різних режимах роботи. Розгорнуто по діаметру, що відповідає половині висоти лопаті.

Встановлено, що на характеристики шнекового ступеня суттєвий вплив чинять параметри струмини, що витікає з зазору, утвореного рядами лопатей першої та другої решіток.

Для розрахунку параметрів швидкісної струмини, що дасть можливість спрогнозувати зміни в характеристиках ступеня, можуть бути використані коефіцієнт імпульсу струмини та коефіцієнт дифузорності.

Викладено доповнення до методики проектування шнекових насосних ступенів, які враховують факт двохрядності робочого колеса з різними кутами установки лопатей, а також параметри щілинної струмини.

В четвертому розділі викладено планування експериментальної частини дослідження та його основні результати. Наведено залежності енергетичних характеристик шнекового ступеня з розрізним робочим колесом від основних його геометричних параметрів із порівнянням до рівня параметрів (kН та ККД) базового ступеня, а також приведено аналіз отриманих залежностей. За базовий прийнято ступінь до складу якого входять: робоче колесо - шнек сталого кроку; напрямний апарат у вигляді решітки прямих пластин з пазами для виправлення форми напірної характеристики. подача Основні характеристики базового ступеня на розрахунковому режимі: габарит - 5А, подача - Q=600 м 3/добу, коефіцієнт напору -kН=0.15, ККД - 0.56.

Аналіз даних, отриманих в результаті проведення попереднього експерименту, не тільки підтвердив перспективність застосування розрізних лопатей, а й дозволив в сукупності з аналізом апріорної інформації та даними чисельного моделювання виявити суттєві фактори, вплив котрих необхідно враховувати, та встановити доцільні рівні їх варіювання. В якості суттєвих факторів прийняті зазор між рядами лопатей, перекриття лопатей першого та другого рядів, різниця кутів установки лопатей першого та другого рядів, відносна густота фронтальної та тильної решіток (рис. 10 - 13).

Рисунок 10. - Залежність коефіцієнту напору kН та ККД шнекового ступеня від відносного зазору першої та другої решіток розрізного робочого колеса. Пунктирною лінією позначено рівень коефіцієнту напору та ККД базового ступеня.



Рисунок 11. - Залежність коефіцієнту напору та ККД шнекового ступеня від різниці кутів установки лопатей першої та другої решіток робочого колеса. Пунктирною лінією позначено рівень коефіцієнту напору та ККД базового ступеня.

Рисунок 12. - Залежність коефіцієнту напору та ККД шнекового ступеня від відносного перекриття першої та другої лопатевих решіток робочого колеса. Пунктирною лінією позначено рівень коефіцієнту напору та ККД базового ступеня.

Рисунок 13. - Залежність коефіцієнту напору та ККД шнекового ступеня від відносної густоти першої та другої лопатевих решіток робочого колеса. Пунктирною лінією позначено рівень коефіцієнту напору та ККД базового ступеня.

В розділі також представлено аналіз можливих шляхів подальшого розвитку та вдосконалення насосних ступенів шнекового типу, а саме, можливість переходу до більш високих швидкостей обертання, можливі шляхи підвищення ККД та способи виправлення форми напірної характеристики. Також приведено результати модернізації та доводки свердловинних насосів з відцентровими та діагональними ступенями.

Висновки

У дисертаційній роботі розв'язана науково-практична задача підвищення напору ступеню шнекового типу свердловинного насоса за рахунок перерозподілу енергії потоку в робочому колесі шляхом введення додаткового елементу робочого процесу - щілинної струмини, що дозволило підвищити напір шнекового ступеня на 40% по відношенню до його вихідної величини без втрати економічності (ККД не знижується) та розширити оптимальну зону роботи по ККД в бік менших подач. Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Визначено фізичну природу підвищення напору насосного ступеня шнекового типу з розрізним робочим колесом. Ефект досягається за рахунок перерозподілу енергії між частинами лопаті і формуванні між ними додаткового струменю, який забезпечує безвідривність течії на тильній стороні лопаті, що забезпечує підвищення циркуляції швидкості.

2. Розроблена математична модель робочого процесу шнекового ступеня з розрізними лопатями робочого колеса як дворядна решітка пластин в потенціальному потоці нев'язкої рідини. Модель реалізована чисельно і дозволила визначити співвідношення геометричних та гідродинамічних параметрів для досягнення теоретично можливого підвищення напору.

Експериментальним шляхом підтверджено, що існують співвідношення геометричних та гідромеханічних параметрів робочого колеса шнекового насосного ступеня з розрізними лопатями, які дозволяють не тільки підвищити напір на 40%, але й збільшити ККД на 10% у порівнянні до вихідного.

3. В результаті систематичного та багаторазового порівняння результатів експериментальних досліджень робочого процесу ступеня, що розглядається, та результатів обчислювального експерименту за допомогою програмного продукту ANSYS CFX встановлено, що є можливим дослідження характеристик шнекового насосного ступеня із застосуванням програмного продукту ANSYS CFX.

4. Доповнена та розширена методика інженерного розрахунку шнекових насосних ступенів з розрізними лопатями урахуванням особливостей, що привносяться удосконаленою лопатевою системою робочого колеса.

5. Спроектовано та вироблено вітчизняний свердловинний насос з покращеними техніко-економічними показниками, який впроваджено на ВАТ "Сумихімпром". Виконано аналіз можливих напрямків подальшого вдосконалення ступенів шнекового типу.

Список опублікованих автором робіт за темою дисертації

Шепеленко О.О. Выделение составляющих рабочего процесса насосов гидродинамического принципа действия и их комбинированное использование / А.О. Євтушенко, І. П. Каплун, А.А. Шепеленко // Вісник Сумського державного університету. - 2006. - № . - с. 131-138.

Шепеленко О.О. Повышение технической и экономической эффективности погружных центробежных насосов для нефтесодержащих жидкостей / О.Н. Гулый, А.А. Шепеленко // Проблемы машиностроения. -2007. - №1 том 10. - с. 36 - 39.

Шепеленко О.О. Пути повышения напорности малогабаритной шнековой ступени скважинного насоса / И.П. Каплун, А.А. Шепеленко // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля - 2007. - №3 (109) Ч.2. - с. 70 - 75.

Шепеленко О.О. Применение разрезных лопастей в рабочем колесе малогабаритной осевой ступени шнекового типа. / А.О. Євтушенко, І. П. Каплун, А.А. Шепеленко // Вестник Национального Технического Университета Украины "Киевский политехнический институт". Машиностроение - 2008. - №54. - с. 289 - 295.

Шепеленко О.О. Анализ целесообразности применения разрезных лопастей в осевых ступенях погружных скважинных насосов. / А.О. Євтушенко, І. П. Каплун, А.А. Шепеленко // Промислова гідравліка і пневматика - 2008. - № 2 (20). - с. 32-36.

Шепеленко О.О. Вдосконалення протічних частин насосів типу ЕЦВ. / А.О. Євтушенко, І. П. Каплун, А.А. Шепеленко // Промислова гідравліка і пневматика - 2009. - № 3 (25). - с. 49-55.

Размещено на Allbest.ru