СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Єлін Олександр Валерійович

УДК 621.65

ШНЕКОВІ БАГАТОСТУПЕНЕВІ НАСОСИ:

МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ, ПОКАЗНИКИ ЯКОСТІ

05.05.17 - Гiдравлiчнi машини та гiдропневмоагрегати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Суми - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Сумському державному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент

Євтушенко Анатолій Олександрович,

Сумський державний університет,

завідувач кафедри

прикладної гідроаеромеханіки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Косторной Сергій Дмитрович,

Сумський національний аграрний університет,

професор кафедри вищої математики

кандидат технічних наук, доцент

Сьомін Дмитро Олександрович,

Східноукраїнський національний університет

(м. Луганськ),

доцент кафедри гідрогазодинаміки.

Провідна установа - Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут" (м. Київ).

Захист відбудеться 12 грудня 2002 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету (м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2).

Автореферат розісланий 11 листопада 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Савченко Є.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нафтогазовий комплекс України має значну потребу у високовитратному занурювальному насосному обладнанні для підйому корозійно-активної пластової рідини зі свердловин діаметром менш 150 мм до систем підтримки пластового тиску (ППТ). Традиційно для цього використовуються імпортні насоси, як правило, типу ЕЦН з відцентровими робочими органами в чавунному виконанні, які пристосовані до умов видобутку нафти. Негативні наслідки використання насосів даного типу на корозійно-активній пластовій рідині - малий строк служби і низька надійність в роботі. Корозійно-стійке виконання робочих органів через складну технологію виготовлення призводить до різкого підвищення собівартості насосу. Відсутність на Україні власного виробництва насосів типу ЕЦН ускладнює проблеми їх ремонту і, в цілому, робить їх експлуатацію економічно мало вигідною. При малих глибинах свердловин з пластовою водою, що розробляються в Україні, створення багатоступеневого осьового насосу дозволяє використовувати на родовищах меншу кількість насосів при тому ж обсязі видобутку. За умов досягнення в них коефіцієнту корисної дії (ККД) на рівні насосів типу ЕЦН (43-63%) значний економічний ефект від експлуатації багатоступеневих осьових занурювальних насосів очевидний.

Застосування осьових проточних частин з профільованою лопатевою системою в багатоступеневій, у кількості декількох сотень ступенів, компоновці ускладнено через не технологічність створеного на їх основі насосу в цілому. Складність конструкції проточної частини, яка напряму пов'язана з енергетичними показниками та критеріями технологічності, оцінюється за математичною формою опису профілю в решітці і закону її зміни вздовж радіуса профілю. Очевидно, що найбільш просту форму має решітка прямих пластин. У теорії лопатевих насосів осьове колесо, що має таку решітку в усіх циліндричних перерізах, прийнято називати шнеком постійного кроку. Наявні в літературі експериментальні дані свідчать про можливість досягнення в шнеках гідравлічного ККД до 85%. Через це спроба їх використання в якості робочого колеса малогабаритної осьової ступені може бути визнана перспективною, у першу чергу, завдяки вдалому поєднанню в конструкції шнека критеріїв економічності та технологічності, найбільш пріоритетних у багатоступеневих машинах.

У насособудуванні шнекові робочі колеса знайшли застосування в якості осьової ступені, що встановлюється перед основними робочими органами насосу для підвищення його антикавітаційних якостей. Усі існуючі рекомендації до вибору основних геометричних параметрів шнеків у цих випадках мають чітку направленість на досягнення вказаної мети, а відомі методи прогнозування їх енергетичних характеристик розроблялися й перевірялися на таких або їм подібних специфічних конструкціях. Загальновизнана розбіжність принципів проектування проточних частин лопатевих насосів на досягнення в одному випадку максимального гідравлічного ККД, а в іншому – високих антикавітаційних якостей залишає питання про максимально досяжні енергетичні показники шнеків, працюючих за умов відсутності кавітації, відкритим.

Невід'ємним елементом насосної ступені є статорний апарат. Для взаємної відповідності конструктивної простоти шнека й апарата необхідна розробка останнього знову. Представляється доцільним і практично цінним розглянути конструкції статорних апаратів зі спрощеною формою лопаткової системи й отримати відповідь на питання про те, що можна очікувати від їх використання в рамках малогабаритної осьової ступені багатоступеневого насосу.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з планом науково-дослідних робіт (НДР) Сумського державного університету (СумДУ), пов'язаних з тематикою “Гідродинамічні насосні установки та приводи”. Основні наукові розробки реалізовані при виконанні держбюджетних НДР (замовник – Міністерство освіти і науки України) за темами 80.13.06.97-99 д/б “Дослідження робочого процесу свердловинних турбонасосних агрегатів на газонасичених та високов'язких нафтах” (номер державної реєстрації 0197U016595) та 80.01.04.00-02 д/б ”Дослідження нетрадиційних турбомашин і систем для вирішення енергетичних та екологічних проблем” (0100U03214). Роль автора у цих НДР полягала в проведенні теоретичних та експериментальних досліджень, пов'язаних зі створенням проточних частин для багатоступеневих занурювальних шнекових насосів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка науково обгрунтованих рекомендацій по проектуванню малогабаритних осьових насосних ступенів, що складаються зі шнека постійного кроку та статорного апарату зі спрощеною формою лопаткової системи, включаючи визначення енергетичних характеристик ступені на робочих режимах за умов відсутності кавітації, з наступною перевіркою встановлених положень на дослідному зразку багатоступеневого насосу.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

- виконати теоретичний аналіз впливу геометрії шнеку на рівень енергетичних якостей ступені з формулюванням рекомендацій щодо вибору основних геометричних параметрів колеса при проектуванні шнекової ступені на максимальний ККД та їх наступною експериментальною перевіркою;

- встановити рівень техніко-економічних показників шнекової ступені в залежності від форми лопаткової системи статорного апарату з розробкою рекомендацій до його проектування;

- дослідити робочий процес малогабаритної шнекової ступені на режимах роботи, близьких до оптимального за ККД, з метою уточнення балансу енергії та складових втрат у неї, а також можливості їх розрахунку;

- розробити основи методики проектування шнекової ступені;

- розробити методику розрахунку енергетичних характеристик шнекової ступені на режимах роботи, близьких до оптимального за ККД, при відсутності кавітації;

- створити шнековий багатоступеневий насос й перевірити на ньому основні методичні рекомендації.

Об'єкт дослідження – робочий процес гідродинамічних насосних агрегатів.

Предмет дослідження – робочий процес, методика розрахунку та показники якості малогабаритної осьової ступені, що складається зі шнеку постійного кроку в якості робочого колеса та статорного апарату зі спрощеною формою лопаткової системи, призначеної для роботи в багатоступеневій компоновці в умовах відсутності кавітації.

Методи дослідження. Розрахунок параметрів потоку рідини в шнековій ступені проводився на основі двовимірної моделі течії в робочому колесі і статорному апараті. Експериментальні дослідження шнекових ступенів проводилися шляхом енергетичних випробувань на стенді. Експериментальне дослідження шнекового багатоступеневого насосу здійснювалося в ході випробувань дослідно-промислового зразка в натурних умовах на місті експлуатації.

Достовірність отриманих теоретичних результатів підтверджується використанням широко апробованих та визнаних положень прикладної гідроаеромеханіки (ПГМ), що базуються на фундаментальних законах та закономірностях механіки рідини і газу, а також співставленням розрахункових даних з експериментальними. Достовірність отриманих експериментальних даних обумовлена застосуванням відпрацьованих на практиці методик дослідження та задовільними похибками вимірів величин.

Наукова новизна отриманих результатів:

- розроблено фізичну модель течії рідини в шнековій ступені багатоступеневого насосу на режимах роботи, близьких до оптимального за ККД;

- отримано аналітичний вираз, що дозволяє на робочих режимах знаходити теоретичний напір шнекової ступені з врахуванням відривного характеру течії в шнеці;

- встановлено техніко-економічні показники шнекової ступені багатоступеневого осьового насосу;

- встановлено залежність енергетичних показників шнекової ступені від складності форми лопаткової системи статорного апарату;

- надано рекомендації по способам підвищення напірності шнекової ступені, а також можливостям досягнення сприятливої форми характеристик напору та потужності ступені.

Практичне значення отриманих результатів:

- створено новий нетрадиційний тип робочих органів лопатевих насосів, застосування яких у багатоступеневих конструкціях забезпечує їх конкурентоспроможність серед існуючих видів насосного обладнання;

- теоретично сформульовано та експериментально підтверджено методичні рекомендації щодо вибору основних геометричних параметрів шнека, які впливають на рівень гідродинамічної досконалості ступені;

- на основі двовимірної моделі течії рідини в робочому колесі та статорному апараті розроблено методику розрахунку, що дозволяє на стадії проектування прогнозувати енергетичні характеристики шнекової ступені багатоступеневого насосу на робочих режимах в умовах відсутності кавітації, й отримано задовільний збіг результатів розрахунку з експериментом;

- створено шнековий багатоступеневий насос, який став першим багатоступеневим осьовим насосом українського виробництва.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на промислових підприємствах України (ВАТ СЗ “Насосенергомаш”, Охтирське НГВУ АТ “Укрнафта”) та в учбовому процесі.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У роботі [1] автором проведена оцінка максимально досяжного рівня енергетичних якостей шнекової ступені. У роботі [3] автором встановлені специфічні особливості робочого процесу малогабаритної шнекової ступені. У роботі [4] автором описана методика розрахунку шнекової ступені багатоступеневого осьового насосу. Постановка задачі, розрахункові та експериментальні дослідження, а також аналіз результатів проведені здобувачем здебільшого самостійно і частково – з науковим керівником та співавтором публікацій к.т.н. Твердохлібом І.Б. Окрім вказаних робіт усі інші ідеї та розробки, викладені в дисертації, належати автору. Здобувач брав участь на всіх стадіях науково-дослідної і дослідно-конструкторської роботи по створенню та авторському догляду за виготовленням та експлуатацією шнекового багатоступеневого насосу ЕДП-5А-800-500 у якості відповідального виконавця.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертації доповідалися та обговорювалися на III - UI Українських науково-технічних конференціях “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Суми, 1999, м. Київ, 2000, 2002, м. Харків, 2001), на 10-й міжнародній науково-технічній конференції “Вдосконалення турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання” (м. Харків, 2000) і на науково-технічних конференціях викладачів, співробітників, аспірантів та студентів СумДУ (1999-2002).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано п'ять статей [1-5] у спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАК України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації 230 сторінок, у тому числі 84 рисунка, з яких 52 займає 30 окремих сторінок, 5 таблиць, з яких 1 займає 1 окрему сторінку, список використаних джерел із 144 найменувань на 13 сторінках, 5 додатків на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність створення робочих органів для багатоступеневих осьових насосів, що мають високі енергетичні якості при простоті конструкції. Сформульовані цілі та задачі дослідження, надається загальна характеристика роботи.

У першому розділі розглянуто області застосування, особливості робочого процесу, методи проектування та розрахунку існуючих конструкцій насосних робочих колес з лопатями, закрученими по гвинтовій лінії, викладена постановка задачі дослідження, обгрунтовано вибір об'єкту, способів та засобів його проведення, описано експериментальний пристрій та методику проведення експерименту, приведено оцінку похибок вимірюваних величин.

Аналіз використання шнекового закону профілювання лопатей робочих коліс вказав на його чітку, до цього часу, направленість на досягнення високих антикавітаційних якостей. Встановлено, що питання застосування шнеків постійного кроку в якості основного робочого органу багатоступеневого осьового насосу в насособудуванні розглядається вперше.

Огляд результатів експериментальних досліджень структури течії в 11 шнеках постійного кроку та 4 шнеках перемінного кроку зі слабко зігнутими лопатями (Думов В.І., Єршов Н.С., Лакшмінараяна, Дель Валле, Оффінгер, Тертен та ін.) засвідчив, що картина течії в шнеці залежить від величини режимного параметру , який представляє собою відношення поточної осьової швидкості потоку у вхідному перерізі шнеку до осьової швидкості при нульовому куті атаки, а також геометричних розмірів колеса. При можливе існування зворотних струмів на вході в шнек. Режим виникнення поворотних струмів у вихідному перерізі відповідає й визначається виключно геометричними параметрами колеса. Режим максимального гідравлічного ККД шнека співпадає з , а при розподіли осьової швидкості на вході та виході зі шнеку, а також подовжньої складової відносної швидкості в його межлопатевих каналах близькі до рівномірного.

Розглянуті відомі аналітичні та чисельні методи розрахунку енергетичних характеристик і полів течії в шнеках на бескавітаційних режимах роботи, починаючи з методик на основі спрощених умов радіальної рівноваги і рівняння Ейлера (Міролюбов І.В., Думов В.І., Захаров О.В., Боровський Б.І., Щербатенко І.В. та ін.) і закінчуючи тривимірними в'язкими теоріями (Лакшмінараяна, Момот В.Є.). Встановлено, що розрахункове визначення енергетичних характеристик шнеків на режимах роботи зі зворотними і поворотними струмами, адекватне реальним процесам, можливо лише при чисельному вирішенні складної тривимірної задачі руху в'язкої рідини. У той же час методики розрахунку в двовимірній постановці дають збіг з експериментом із прийнятною для практики точністю на режимах роботи, близьких до оптимального за ККД.

Рішення загальної задачі дослідження передбачало великий обсяг робіт різного змісту і призначення. У цих умовах обрано розрахунково-теоретичний спосіб досліджень з наступною перевіркою основних одержуваних результатів за допомогою фізичного експерименту. Створений для цих цілей на кафедрі ПГМ СумДУ експериментальний стенд зі замкнутою схемою циркуляції рідини містив у собі експериментальну установку, що дозволяла проводити випробування одно- і двоступеневих зборок з ідентичними вхідними і вихідними умовами, динамометр постійного струму з регульованою частотою обертання, бак, допоміжний насос для зменшення опору мережі при випробуваннях на великих подачах, вимірювальну апаратуру, а також систему трубопроводів із запірно-регулюючою арматурою і витратомірним пристроєм, що містить діафрагму. Методика проведення випробувань і визначення енергетичних характеристик експериментальних зборок із зовнішнім діаметром робочого колеса 85 мм не відрізнялася від загальноприйнятої. Похибки непрямих вимірів на номінальних режимах при частотах обертання 2950 – 3000 об/хв не перевищували гранично припустимих значень, встановлених у ДСТ 6134-71 “Насоси динамічні. Методи випробувань.” Характеристики ступені визначалися графо-аналітичним способом шляхом вирахування кривих напору та потужності одноступеневої зборки з відповідних кривих двоступеневої зборки.

В другому розділі приведено результати теоретичних і експериментальних досліджень впливу основних геометричних параметрів елементів ступені на рівень її енергетичних якостей.

У дослідженнях впливу геометрії шнека на енергетичні показники ступені (у безрозмірному виді відповідно до ДСТ 9366-60) використовувався статорний апарат з лопатками у вигляді тонкостінного циліндричного кільця.

Зміною в широких межах осьової довжини шнека (рис. 1, а), числа лопатей і їхніх рядів (рис. 1, б) експериментально встановлено, що значення густоти лопатевої решітки шнека, при якій напір і гідравлічний ККД шнекової ступені максимальні, відрізняються не тільки від величин, традиційних для осьових шнекових переднасосів (ОШП), що проектуються для роботи як в умовах часткової кавітації (), так і на суперкавітаційних режимах (), але й від рекомендованих А.Н. Папіром і широко застосовуваних при проектуванні осьових насосів (рис. 1, в). Встановлені закономірності позв'язуються з особливостями обтікання прямої плоскої решітки прямих пластин на периферії шнека, в якій коефіцієнт взаємного впливу пластин у діапазоні кутів установки від 20 до 35° відповідно до розрахунків Вейніга максимальний саме при (рис. 1, г).

Теоретичним шляхом отримано вираз для знаходження по відомим робочим параметрам ( - подача, м3/с, - частота обертання, об/хв) і радіальним розмірам вхідної ділянки колеса ( - зовнішній діаметр шнека, м, - втулкове відношення) величини осьового ходу гвинтової лінії шнека, що забезпечує при осьовому вході потоку збіг розрахункової подачі з оптимальною за ККД:

,

де , , - коефіцієнти ( - кут атаки на вході в шнек на середньому діаметрі, - кут установки лопаті на середньому діаметрі).

Рис. 1 Результати досліджень впливу густоти лопатевої решітки шнека на рівень енергетичних якостей ступені: а – скороченням втулки колеса з боку виходу (1 - , 2 - , 3 - ); б - зміною числа лопатей колеса (? - дворядний шнек); в - порівняння експерименту (4) з теоретичною кривою А.Н. Папіра (5); г – зіставлення зміни коефіцієнта напору ступені (6) і коефіцієнта взаємного впливу пластин (7) у прямій плоскій решітці пластин з 24° за теоретичними даними Вейніга від густоти лопатевої решітки на периферії шнека з кутом установки лопатей = 24,2°

Результати випробувань шнекових ступенів з робочими колесами, що мають однакові радіальні габарити й оптимальні значення густоти лопатевих решіток, свідчать про близькість експериментальних значень коефіцієнта до теоретичного (рис. 2, а). Величини кутів атаки на вході в шнек, що відповідають оптимальним режимам, істотно перевершують значення, на які проектують ОШП (рис. 2, б).

Результати експериментальної перевірки існуючої емпіричної залежності максимально досяжного ККД шнека від коефіцієнта його діаметра (Овсянников Б.В., Петров В.І., Чебаєвський В.Ф. та ін.) на конструкції шнекової ступені, у якій лопаткова система статорного апарату спроектована за умови безвідривної течії, а робоче колесо має оптимальні значення густоти лопатевої решітки і кута атаки, дозволяють рекомендувати її для визначення величини втулкового відношення на початковій стадії проектування шнекової ступені багатоступеневого осьового насоса.

Рис. 2 Результати досліджень впливу осьового ходу гвинтової лінії шнека: а - на залежність величини коефіцієнта від кута (1 – теорія, 2 - експеримент); б – на зміну оптимальних енергетичних показників, а також місця розташування оптимуму за ККД шнекової ступені (3 - , 4 - , 5 - , 6 - )

Виявлено якісну залежність енергетичних показників шнекової ступені від форми меридіанного перетину її колеса, рекомендації з вибору якої підтверджені експериментом. Експериментально встановлено, що відмова від скруглення після механічної обробки вхідних кромок шнека постійного кроку призводить до падіння економічності ступені на 5-6 % для робочих режимів.

Експериментально доведено, що геометричні параметри і форма лопаткової решітки статорного апарату впливають як на дійсні, так і на теоретичну напірну характеристики шнекової ступені багатоступеневого насосу. Експериментально визначено рівень гідравлічного ККД ступенів з найбільш перспективними формами спрощених високотехнологічних лопаткових вінців статора: циліндричні лопатки – до 80%, дворядна лопаткова система прямих пластин – до 75%, складені лопаткові решітки ламаних, утворені з'єднанням прямих пластин, і непрозорі решітки прямих пластин, встановлених перпендикулярно до фронту решітки, – до 65 - 70%.

У третьому розділі викладено основні положення розробленої фізичної моделі течії рідини в шнековій ступені багатоступеневого осьового насоса на режимах роботи, близьких до оптимального за ККД.

Прийняті припущення про рівномірність і вісесиметричність течії в шнеці дозволяють розглядати плоску задачу обтікання лопатевої решітки шнека і лопаткової решітки статорного апарата на середньому для вихідного перетину шнека діаметрі. У запропонованій розрахунковій схемі відривного обтікання прямої плоскої решітки пластин зона відриву потоку з тильної сторони пластини підрозділяється на вихор А, розташований поблизу вхідної кромки, і вихровий супутний слід Б за ним (рис. 3). Вважається, що через необхідність забезпечення прийнятної величини напору при високій економічності довжина пластини не забезпечує повного розсіювання сліду в межах решітки.

Теоретичний напір, що створює шнек (шнекова ступень), знаходиться з основного рівняння лопатевих гідромашин:

. (1)

Значення і напрямок окружних складових абсолютної швидкості перед і за колесом визначаються з трикутників швидкостей у відповідних перетинах. При цьому враховується ефект захаращення прохідного перетину 3-3 на виході зі шнека, величина якого з урахуванням кінцевої товщини лопаті , а також товщини витиснення прикордонного шару з її напірної сторони обчислюється за формулою:

. (2)

Для визначення довжини і ширини вихора А використовується відома схема струминного плину через решітку напівнескінченних пластин із замиканням межи області відриву на твердій поверхні, рівнобіжній пластині, що була запропонована у свій час Стріплінгом та Акостою. На основі відомих експериментальних даних, які свідчать про те, що товщина витиснення прикордонного шару на вхідній ділянці робочих колес високообертових віседіагональних шнекових насосів не перевищує 10% ширини межлопатевого каналу, прийнято рівняння:

. (3)

При описі супутного вихрового сліду Б використовуються відомості з теорії струминних прикордонних шарів. Припустивши, що в точці замикання межи області відриву на площину, рівнобіжну лопаті шнека, відбувається зіткнення потоку, що рухається уздовж граничної лінії струму зі швидкістю , і нерухомої застійної зони за вихором А, можна вважати, що лінія струму, яка відокремлює вихровий супутний слід Б від основного потоку, збігається з вільною межою струменя, лінійне наростання напівширини змішання якої згідно експериментів Г. Рейхардта відбувається під кутом . Це дає можливість, визначивши з рівняння нерозривності за допомогою трикутників швидкостей для перетинів 1-1 і 2-2 (рис. 3) величину і, увівши поправку Щербатенко І.В. на округлену форму вхідних кромок лопатей шнека , розрахувати довжину вихора А:

(4)

Знайдені значення , (3), (4) дозволяють визначити величину (2) і з рівняння нерозривності для перетинів 1-1 і 3-3 обчислити осьову швидкість у вихідному перетині шнека, а потім по відомій витраті і радіальних габаритах ступені за допомогою трикутника швидкостей для перетину 3-3 розрахувати і швидкість . Прийнявши, що вирівнювання потоку за шнеком відбувається без зміни окружної складової абсолютної швидкості, можна вважати, що .

Механізм визначення величини і напрямку швидкості залежить від обраної форми лопаткової решітки статорного апарата. У випадку лопаткових вінців, складених з елементів тонкостінного циліндричного кільця, для обчислення кута відставання потоку на виході з апарата використовується відома в теорії осьових насосів формула Л.М. Лебедєва. Для розрахунку відхильної спроможності решітки прямих радіальних пластин, а також двокаскадних лопаткових систем використовується рішення С.С. Руднєва, отримане ним методом годографа швидкості стосовно до відривного обтікання прямої плоскої решітки тонких прямолінійних пластин потоком ідеальної рідини з замиканням зони відриву на нескінченності за решіткою.

Рис. 3 Розрахункова схема обтікання лопатевої решітки шнека

У четвертому розділі представлено методику проектування і розрахунку енергетичних характеристик малогабаритної шнекової ступені багатоступеневого осьового насоса, результати її експериментальної перевірки на конструкціях шнекових ступенів з різними типами лопаткового вінця статорного апарата і на багатоступеневому шнековому насосі в цілому, експериментально проілюстровано підходи до можливого підвищення напірності шнекової ступені та шляхи удосконалювання форми характеристик напору та потужності ступені, встановлено показники якості створених шнекових ступенів.

На основі двовимірної моделі течії рідини в межлопатевих каналах шнека і межлопаткових каналах статорного апарата створена методика розрахунку енергетичних характеристик шнекової ступені багатоступеневого осьового насоса, в якій вираз для гідравлічного ККД ступені має вид:

(5)

де - зменшення гідравлічного ККД ступені, обумовлене перетіканням рідини через радіальний зазор між торцями лопатей шнека і корпусом апарата;

- гідравлічні втрати в ступені: на поворот потоку в лопатевих решітках шнека (індекс 1) і лопаткових решітках апарата (індекс 6), на розширення потоку в межлопатевих каналах шнека (індекс 2) і межлопаткових каналах апарата (індекс 7), на тертя о лопаті, корпус і втулку шнека, а також у межлопаткових каналах апарата, відповідно, (індекси 3-5) та (індекс 8).

Втрати розраховуються по відомим у теорії лопаткових машин інтегральним формулам. Дійсний напір шнекової ступені визначається як добуток її теоретичного напору (1) та гідравлічного ККД (5).

Відзначено задовільний збіг розрахункових кривих з експериментальними на режимах роботи, близьких до оптимального за ККД (рис. 4). Основною причиною наявної розбіжності теорії й експерименту є прийняте припущення щодо двовимірності течії в шнеці, а також значно більш складна, аніж прийнята в математичній моделі, дійсна гідродинаміка потоку в двокаскадних лопаткових вінцях. Проведене зіставлення результатів розрахунку за створеною методикою з результатами обчислень за загальновизнаними методиками прогнозування енергетичних характеристик ОШП засвідчило неможливість їхнього застосування у випадку досліджуваної ступені.

Методика проектування і розрахунку енергетичних характеристик шнекових ступенів перевірена на дослідно-промисловому зразку 168-ступеневого занурювального свердловинного насоса ЕДП-5А-800-500 у корозійно-стійкому виконанні з параметрами = 800 м3/доб, = 500 м, = 2910 об/хв для підйому корозійно-активної пластової рідини зі свердловин із внутрішнім діаметром обсадної труби не менш 130 мм, призначеному для живлення систем ППТ в нафтових свердловинах. Установка складається з вхідного модуля і 2-х модуль-секцій із загальною довжиною 10300 мм (рис. 5). Насос, виготовлений у 2000 році в ВАТ СЗ “Насосенергомаш”, з березня по грудень 2001 року успішно пройшов підконтрольну експлуатацію на Анастасієвському родовищі Охтирского НГВУ АТ “Укрнафта”. До цього часу в країнах СНД занурювального насосного устаткування для свердловин діаметром 130 мм на подачі більш 500 м3/доб не виготовлялося.

В ході спеціальних експериментальних досліджень встановлено, що затиловка лопатей шнеку з тильної сторони на виході дозволяє на 25-30% підвищити напір ступені на режимі максимальної економічності при збереженні високого гідравлічного ККД ступені. Введення позитивної конусності втулки шнека до 10° сприяє одержанню мінімальних розмірів западаючої ділянки на напірній характеристиці шнекової ступені без істотного зниження економічності.

Рис. 4 Дійсні (експеримент: 1 - , 2 - ; розрахунок за запропонованою методикою: 3 - , 4 - , 5 - ) і теоретична напірна (6 - експеримент, 7 – розрахунок за запропонованою методикою, 8 - розрахунок за методикою Боровського Б.І. та ін., 9 – розрахунок за методикою Боровського Б.І. з урахуванням кутів відставання потоку за шнеком за методикою Щербатенко І.В.) характеристик шнекової ступені багатоступеневого насоса: а – з лопатками статора у вигляді елемента тонкостінного циліндричного кільця; б – з лопатковими решітками статора у вигляді прямих радіальних пластин; в - з двокаскадним лопатковим відводом, лопатки якого представляють собою елементи прямих пластин

Рис. 5 Насос ЕДП-5А-800-500.

Перехід від однорядної до дворядної по виходу конструкції шнека дозволяє при тому ж рівні гідравлічних втрат у колесі зменшити відношення потужності, споживаної ступінню на нульовій подачі, до її оптимального значення. Встановлення тонкостінного циліндру вздовж всієї довжини лопаткової системи статора забезпечує рівність згаданого відношення потужностей одиниці на тлі значного погіршення форми напірної характеристики та зниження гідравлічного ККД ступені.

Створені шнекові ступені за економічністю та напірністю не поступаються, а за пропускною спроможністю значно перевершують існуючі ступені насосів типу ЕЦН (рис. 6).

Рис. 6 Порівняння напірності та економічності створених шнекових ступенів зі ступенями насосів типу ЕЦН: ? - ступені насосів заводу “Борець”; 0 - ступені насосів фірми “Reda pumps”; ¦ - ступень насосів фірми “Centrilift Haghes”; ? - ступень насосів фірми “Oil Dynamics”; ґ - шнекова ступень №9 (436); а - шнекова ступень №19 ( = 535); + - шнекова ступень №23 ( = 579); Ё - шнекова ступень №24 ( = 464); 0 - шнекова ступень №25 ( = 449). Тут - приведений до одиниці монтажної довжини ступені питомий напір ступені, - приведений ККД ступені, - приведена витрата через ступень.

ВИСНОВКИ

1. Патентно-інформаційний огляд підтвердив, що поняття про шнекову ступень багатоступеневого лопатевого насосу, яка складається зі шнеку постійного кроку та статорного апарату, у теорії насособудування відсутнє. Огляд літератури засвідчив, що при роботі на режимі максимального ККД розподіли осьових швидкостей уздовж радіуса і відносної швидкості вздовж ширини міжлопатевого каналу шнека близькі до рівномірних, і енергетичні характеристики шнека в цьому випадку можуть бути розраховані на основі двовимірної моделі течії рідини в його лопатевій системі.

2. Визначено основні геометричні параметри шнека, які впливають на рівень гідродинамічної досконалості ступені. Отримано експериментальну залежність оптимальних значень коефіцієнта напору і гідравлічного ККД шнекової ступені від густоти периферійної лопатевої решітки колеса. Отримано теоретичним шляхом і перевірено експериментально вираз для знаходження величини осьового ходу гвинтової лінії шнека, що забезпечує збіг розрахункової подачі з оптимальної за ККД. Підтверджена експериментально правомірність використання існуючої емпіричної залежності максимально досяжного ККД шнека від величини втулкового відношення при проектуванні шнекової ступені багатоступеневого осьового насоса. Встановлено залежність енергетичних показників шнекової ступені від форми меридіанного перетину колеса і його вхідних кромок.

3. Експериментально доведено, що геометричні параметри і форма лопаткової системи статорного апарата впливають як на дійсні, так і на теоретичну напірну характеристики шнекової ступені багатоступеневого насоса. Визначені найбільш перспективні форми спрощених високотехнологічних лопаткових вінців для застосування в лопатковій системі статорного апарата шнекової ступені.

4. Побудовано фізичну модель течії рідини і розглянуто робочий процес шнекової ступені багатоступеневого осьового насоса при відсутності зворотних струмів на вході і поворотних струмів на виході з колеса. У рамках двовимірної моделі течії рідини в шнеку і статорному апараті запропоновано спосіб розрахунку теоретичного напору шнекової ступені, що використовується в багатоступеневій збірці. Отримано рівняння балансу енергії в шнековій ступені з різними типами спрощених форм лопаткової системи статорного апарата на режимі роботи з максимальним ККД.

5. Створено методику розрахунку енергетичних характеристик шнекової ступені багатоступеневого осьового насоса на режимах роботи, близьких до оптимального за ККД, і отримано задовільне узгодження результатів розрахунку з експериментом. Співставлення результатів розрахунків за створеною методикою з результатами обчислень за загальновизнаними методиками прогнозування енергетичних характеристик ОШП на бескавітаційних режимах засвідчило неможливість застосування останніх в даному випадку. Досліджена шнекова ступень представляє собою новий нетрадиційний тип робочих органів гідродинамічних насосів.

6. Розроблено методику проектування шнекової ступені і проведено перевірку її основних положень на діючій конструкції багатоступеневого шнекового насоса, результати якої дозволяють рекомендувати методику до практичного застосування. Створено дослідно-промисловий зразок 168 – ступеневого занурювального свердловинного шнекового насоса, що став першим багатоступеневим осьовим насосом українського виробництва.

7. Розроблено рекомендації по підвищенню напірності й удосконаленню форми характеристик напору та потужності шнекової ступені багатоступеневого осьового насоса.

8. Створені шнекові ступені за економічністю та напірністю не поступаються, а за пропускною спроможністю значно перевершують існуючі ступені насосів типу ЕЦН і можуть розглядатися як базові при створенні типорозмірного ряду занурювальних багатоступеневих свердловинних шнекових насосів.

9. Результати виконаного дослідження впроваджені на промислових підприємствах України - ВАТ СЗ ”Насосенергомаш” , Охтирському НГВУ АТ “Укрнафта” і в навчальному процесі СумДУ.

СПИСОК ОПУБЛIКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

1. Евтушенко А.А., Елин А.В., Твердохлеб И.Б. Технико-экономические показатели насосной ступени с рабочим колесом шнекового типа // Вестник НТУУ “КПИ”, Машиностроение. - 1999. – т. 1. - №36. – С. 234 – 240.

2. Елин А.В. Основные геометрические параметры, определяющие энергетические качества насосной ступени шнекового типа // Вестник НТУУ “КПИ”, Машиностроение. - 2000. – т. 2. - №38. – С. 35 – 40.

3. Евтушенко А.А., Елин А.В., Твердохлеб И.Б. Рабочий процесс шнековой ступени многоступенчатого лопастного насоса // Совершенствование турбомашин методами математического и физического моделирования: сборник научных трудов под ред. Мацевитого Ю.М. и др. – Харьков: ИПМаш им. А.М. Подгорного НАН Украины. - 2000. – С. 448 – 452.

4. Евтушенко А.А., Елин А.В. Методика расчета шнековой ступени многоступенчатого лопастного насоса по схеме “статорный аппарат – шнековое рабочее колесо”// Вестник НТУУ “ХПИ”, Технологии в машиностроении. - 2001. – ч. 1. - №129. – С. 352 – 363.

5. Елин А.В. Методика расчета шнековой ступени многоступенчатого осевого насоса с упрощенной лопаточной системой статорного аппарата // Вестник НТУУ “КПИ”, Машиностроение. - 2002. – т. 2. - №42. – С. 111 – 118.

АНОТАЦІЯ

Єлін О.В. Шнекові багатоступеневі насоси: методика розрахунку, показники якості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з? спеціальності 05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. - Сумський державний університет, Суми, 2002.

Дисертація присвячена питанню створення робочих органів нового типу для багатоступеневих осьових насосів. Розглянута робота осьової ступені, що складається зі шнека постійного кроку та статорного апарата зі спрощеною формою лопаткової системи, в багатоступеневій компоновці в умовах відсутності кавітації. Встановлені основні геометричні параметри шнека, які впливають на рівень енергетичних показників ступені, та надано рекомендації щодо їх вибору. Розроблено методику проектування та розрахунку енергетичних характеристик шнекової ступені на режимах роботи, близьких до оптимального за ККД. Встановлені показники якості шнекової ступені, їх залежність від форми лопаткової системи апарату. Створено шнековий багатоступеневий занурювальний свердловинний насос для потреб нафтогазової промисловості.

Ключові слова: шнековий багатоступеневий насос, шнекова ступень, шнек, статорний апарат, робочий процес, методика розрахунку, показники якості.

SUMMARY

Yelin. A. V. Inducer multistage pumps: technique for calculating, figure of qualities. – The manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.05.17 – hydraulic machines and hydraulic and pneumatic units. Sumy State University, Sumy, 2002.

The thesis is dedicated to a problem of creation of hydraulic part's new type for multistage axial pumps. The activity of the axial stage consisting of an inducer and of the vehicle with the simplified form of a blade system in multistage layout in conditions of absence of a cavitation is reviewed. The main geometrical parameters of an inducer influential in a level of power qualities of a stage are established and the guidelines on their selection are given. The technique of designing and calculation of the power characteristics of an inducer stage on operational modes, suboptimal till efficiency is designed. The figure of qualities merits of an inducer stage, their relation to the form of a blade system of the vehicle are established. The inducer multistage submerged downhole pump for needs oil industry is built.

Key words: inducer multistage pump, inducer stage, inducer, vehicle, working process, technique for calculating, figure of qualities.

АННОТАЦИЯ

Елин А.В. Шнековые многоступенчатые насосы: методика расчета, показатели качества. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. – Сумский государственный университет, Сумы, 2002.

Диссертация посвящена вопросу создания методики проектирования и расчета энергетических характеристик ступени осевого многоступенчатого насоса, состоящей из рабочего колеса в виде шнека постоянного шага и статорного аппарата с упрощенной формой лопаточной системы. Технологичность шнека наряду с высокими энергетическими качествами позволяет создавать многоступенчатые осевые насосы конкурентоспособными как по себестоимости, так и по экономичности.

Актуальность исследования обуславливается тем, что в нефтегазовой промышленности существует значительная потребность в высокопроизводительных насосах для подъема пластовой жидкости из скважин малого диаметра. Создание многоступенчатого осевого насоса на базе шнековых ступеней способствует организации на Украине собственного производства погружных скважинных насосов и позволяет ожидать от их использования на месторождениях значительный экономический эффект.

В качестве основного рабочего органа многоступенчатого лопастного насоса шнек постоянного шага в насосостроении используется впервые. Характер течения жидкости в шнековом колесе резко изменяется в зависимости от режима. На малых подачах наблюдается ярко выраженное трехмерное течение с большими зонами вторичных течений, для описания которых необходимо решение сложной трехмерной задачи движения вязкой жидкости. При работе на режиме максимальной экономичности энергетические характеристики шнека могут быть определены на основе двумерной модели течения жидкости в его лопастной системе.

Основными геометрическими параметрами шнека постоянного шага, влияющими на уровень гидродинамического совершенства ступени, являются густота лопастной решетки, осевой ход винтовой линии, втулочное отношение, форма меридианного сечения и входных кромок лопастей. Установлена экспериментальная зависимость оптимальных значений коэффициента напора и гидравлического КПД шнековой ступени от густоты периферийной лопастной решетки колеса. Получено выражение для нахождения величины осевого хода винтовой линии шнека, обеспечивающей совпадение расчетной подачи с оптимальной по КПД. Подтверждена правомерность использования существующей эмпирической зависимости максимально достижимого КПД шнека от величины втулочного отношения при проектировании шнековой ступени многоступенчатого осевого насоса. Выявлена качественная зависимость энергетических показателей шнековой ступени от формы меридианного сечения колеса и входных кромок его лопастей.

Геометрические параметры и форма лопаточной системы статорного аппарата влияют как на действительные, так и на теоретическую напорную характеристики шнековой ступени многоступенчатого насоса. Определены наиболее перспективные формы упрощенных высокотехнологичных лопаточных венцов для применения в лопаточной системе статорного аппарата шнековой ступени и уровень их гидродинамического совершенства.

Физическая модель течения жидкости в шнековой ступени многоступенчатого осевого насоса построена при условиях отсутствия обратных токов на входе и возвратных токов на выходе из колеса. Способ расчета теоретического напора шнековой ступени, используемой в многоступенчатой сборке, предложен в рамках двумерной модели течения жидкости в шнеке и статорном аппарате.

Методика проектирования и расчета энергетических характеристик шнековой ступени многоступенчатого осевого насоса создана для режимов работы, близких к оптимальному по КПД. Сопоставление результатов расчета по созданной методике проводилось как с результатами эксперимента, так и с результатами вычислений по общепризнанным методикам прогнозирования энергетических характеристик осевых шнековых преднасосов. Основные положения созданной методики проектирования проверены на действующей конструкции многоступенчатого шнекового насоса. Результаты проверки позволяют рекомендовать методику к практическому применению. Созданный опытно-промышленный образец 168 – ступенчатого погружного скважинного шнекового насоса стал первым многоступенчатым осевым насосом украинского производства. Разработаны рекомендации, направленные на повышение напорности и совершенствование формы напорной и мощностной характеристик шнековой ступени многоступенчатого осевого насоса.

Созданные шнековые ступени по экономичности и напорности не