СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Руденко Андрій Анатолійович

УДК 621.65

ОСОБЛИВОСТІ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ ВІДЦЕНТРОВИХ НАСОСІВ

З СЕРЕДНЬОРОЗМІРНИМ РОБОЧИМ КОЛЕСОМ ПЛАВАЮЧОГО ТИПУ

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

Неня Віктор Григорович,

Сумський державний університет,

заступник завідувача кафедри

основ проектування машин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Фінкельштейн Зельман Лазаревич,

Донбаський гірничо - металургійний інститут,

професор кафедри гірничої енергомеханіки

та обладнання

кандидат технічних наук,

Чернов Олександр Євгенович,

Науково-дослідний інститут атомного та енергетичного насособудування,

начальник відділу підшипників та ущільнень.

Провідна установа - Національний технічний університет України “

Київський політехнічний інститут”,

кафедра гідропневмоавтоматики і гідравліки

(м. Київ)

Захист відбудеться "12" грудня 2002 р. о 1400 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 бiблiотецi 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. В даний час існує значна потреба створення горизонтальних високонапірних (Н = …2000 м) маловитратних (Q = ...45 м3/год) високоекономічних насосів гідродинамічного типу, в першу чергу для нафтогазового комплексу. Використання при створенні таких машин проточних частин з низьким коефіцієнтом швидкохідності (ns) призводить до їх низької економічності. Застосування ж високоекономічних проточних частин з високими ns веде до важко переборних конструктивних складностей – розміщення великої (i = …100) кількості ступенів в одному корпусі, розвантаження ротора від великої осьової сили, забезпечення динамічної стійкості ротора з довгим тонким валом.

Пошук рішення даної задачі призвів до створення схеми насосної ступені зі середньорозмірним плаваючим робочим колесом (РК). Основною особливістю даної схеми є відсутність закріплення РК на валу насоса в осьовому напрямку, і, відповідно, наявність можливості переміщення його по валу в заданих межах. Осьові сили, що діють на плаваюче РК, не передаються на вал і сприймаються індивідуальними опорами ковзання. Завдяки використанню такої конструктивної схеми, зокрема, перестає бути необхідністю застосування в насосах енергоємних гідравлічних розвантажувальних пристроїв.

В даний час накопичений великий досвід використання малорозмірних плаваючих РК у свердловинних занурювальних вертикальних насосах з великою (i = 200…300) кількістю ступенів. Малий діаметр РК зумовлює малий (Н = …6 м) напір ступені, і, відповідно, малу осьову силу, що діє на колесо. Це дозволяє в якості матеріалів опор ковзання застосовувати текстоліт, гуму, фторопласт, тобто недорогі матеріали з невисокими механічними властивостями. Недоліками насосів такого виконання є великі (l=10...15 м) осьові габарити і відносно низький (рідко перевищуючий 50…55%) коефіцієнт корисної дії (ККД).

Створення горизонтальної конструкції на вищевказані параметри, що була б подібною конструкції вертикальних занурювальних свердловинних насосів, наштовхується на ряд труднощів:

- одержання високого (до 70…75%) ККД пов'язано з використанням ступенів з високим коефіцієнтом швидкохідності (ns = …100). При цьому кількість ступенів обмежується необхідними мінімальними осьовими габаритами насоса, тобто вибір кількості ступенів – розумний компроміс між ns і ККД;

- забезпечення високих напорів при меншій, ніж у занурювальних свердловинних насосах, кількості ступенів, що вимагає збільшення діаметра робочого колеса. При цьому напір, який створюється РК, змінюється у співвідношенні

.

У такому ж співвідношенні змінюється й осьова сила, що діє на робоче колесо. Тому в якості матеріалів осьових опор стає необхідним застосування дорогих надтвердих антифрикційних матеріалів;

- забезпечення динамічної стійкості ротора з плаваючими РК, зумовлене збільшенням масогабаритних показників РК у порівнянні з колесами занурювальних свердловинних насосів і підвищенням напірности ступенів.

Пошук шляхів подолання вказаних труднощів у сукупності є сьогодні актуальною науково - технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану науково – дослідних робіт (НДР) Сумського державного університету (СумДУ). Наукові розробки реалізовані при виконанні держбюджетних НДР по темах: 80.13.06.97 – 99 д/б “Дослідження робочого процесу свердловинних турбонасосних агрегатів на газонасичених і високов'язких нафтах” (замовник – Міносвіти України, номер державної реєстрації 0197U016595), особистий внесок здобувача – підрозділи звіту “Математична модель вихрової течії ідеальної рідини”, “Розробка технічного проекту горизонтальної насосної системи типу ЦНС”, “Удосконалювання геометрії пазух відцентрового плаваючого робочого колеса”; 80.01.04.00 – 02 д/б “Дослідження нетрадиційних турбомашин і систем для вирішення енергетичних і екологічних проблем” (замовник – Міносвіти України, номер державної реєстрації 0100U032114), особистий внесок здобувача – підрозділ звіту “Дослідження робочого процесу відцентрового насоса з середньорозмірним робочим колесом плаваючого типу”. По вказаним підрозділам тем автор був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є науково – методичне забезпечення створення принципово нового високоекономічного насосного обладнання гідродинамічного типу для перекачування рідини з високими напорами і малими витратами.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

- розробка фізико-математичної моделі течії рідини в елементах проточних частин з середньорозмірним РК плаваючого типу;

- створення на базі розробленої фізико-математичної моделі інженерної методики проектування проточних частин нового типу;

- проведення фізичного експерименту для перевірки адекватності створеної фізико-математичної моделі і розробленої методики проектування;

- створення базової моделі проточної частини з середньорозмірним плаваючим відцентровим РК і створення на її основі дослідного зразка маловитратного високонапорного економічного насосного агрегату.

Об'єкт дослідження - робочий процес гідродинамічних насосних агрегатів.

Предмет дослідження – загальне і відмінне у робочому процесі відцентрових насосних ступенів із традиційним і плаваючим робочими колесами.

Методи дослідження. Поставлені задачі дослідження вирішувались шляхом використання розрахунково – аналітичного методу і методу фізичного моделювання на стенді, промислових випробувань дослідно – промислового зразка насосного обладнання.

Розрахунково – аналітична частина дослідження базувалася на використанні даних сучасної теорії турбомашин, теорії торцевих ущільнень і підшипників ковзання, теорії динаміки роторних систем. В силу складності поставленої задачі в основному використовувалися емпіричні і напівемпіричні залежності і наближені формули.

Фізичний експеримент містив у собі енергетичні стендові випробування натурної насосної ступені з середньорозмірним плаваючим РК, виміри осьових сил, що діють на РК, а також стендові промислові випробування макетного і дослідного зразків створеного в процесі виконання дисертаційної роботи насосного обладнання.

Достовірність отриманих результатів підтверджується використанням широко апробованих і визнаних результатів прикладної гидроаеромеханіки, що базуються на основі законів механіки рідин і газів, а також на результатах зіставлення розрахункових даних з відомими експериментальними даними. Достовірність отриманих експериментальних даних зумовлена використанням відпрацьованих практикою методик дослідження і задовільною погрішністю вимірів величин.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлено техніко - економічні показники відцентрової насосної ступені нової конструктивної схеми - з середньорозмірним робочим колесом плаваючого типу;

- розроблені фізико - математичні моделі течій в пазухах відцентрового середньорозмірного робочого колеса плаваючого типу;

- досліджено характер впливу на динамічні характеристики ротора насоса нетрадиційного конструктивного виконання його робочих органів;

- показана можливість та визначені особливості використання елементів теорії торцевих ущільнень при визначенні характеристик працездатності опор ковзання відцентрового середньорозмірного робочого колеса плаваючого типу;

- в цілому встановлені взаємозв'язки між гідродинамічними та геометричними параметрами насосної ступені нового типу, що дозволяє вирішувати задачу її проектування як оптимізаційну з критерієм оптимізації - ККД ступені.

Практичне значення отриманих результатів:

- запропонована нова схема відцентрової насосної ступені, застосування якої в багатоступеневих конструкціях забезпечує створення нової конкурентноздатної насосної продукції;

- розроблена методика проектування насосної ступені, яка має в своєму складі середньорозмірне відцентрове робоче колесо плаваючого типу;

- створена модель проточної частини нового типу і на її основі базовий дослідний зразок горизонтальної насосної системи, яка перевищує за своїми техніко - економічними показниками відповідні системи закордонного виробництва і є першою в практиці вітчизняного насособудування;

- показана можливість на основі базової моделі створити типорозмірний ряд відповідних горизонтальних насосних систем у всьому діапазоні потрібних на практиці основних параметрів.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на Сумському заводі “Насосенергомаш”, НГВУ “Охтирканафтогаз” ВАТ “Укрнафта” та в навчальному процесі СумДУ, що підтверджується приведеними в дисертації актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях, що відбивають основні результати дисертації, здобувачу належить: [1] – рекомендації з поліпшення геометрії передньої пазухи традиційних проточних частин з відцентровими РК; [2] – з'ясування впливу параметрів задньої пазухи плаваючого РК на характеристики ступені; [3] – фізико – математичний опис руху рідини в пазухах плаваючого відцентрового РК; [4] – основні положення методики проектування проточної частини з відцентровим плаваючим РК; [5] – підхід до оптимізації параметрів розглянутої проточної частини; [6] – макромоделювання робочого процесу розглянутої насосної ступені;[7] - визначення найбільш характерних галузей застосування лопатевих насосів з відцентровими робочими колесами плаваючого типу.

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

- III – VII Українських науково – технічних конференціях “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 1998, 2000, 2002; м. Суми, 1999; м. Харків, 2001);

- Міжнародній науково – технічній конференції “Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання” (м. Харків, 2000);

- Міжнародній ювілейній науково – технічній конференції АС ПГП (м. Кіровоград, 2000);

- науково – технічних конференціях викладачів, співробітників, аспірантів і студентів Сумського державного університету (з 1997 по 2001 р. включно).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей у спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАК України, тези 6 доповідей на науково – технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Ілюстрації включають 31 рисунок на 25 окремих сторінках. Всього 5 таблиць, з них 1 розміщена на окремій сторінці. У бібліографії 78 використаних джерел на 7 сторінках. Три додатки складають 3 сторінки. Повний обсяг дисертації 162 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована доцільність вивчення питання створення насосного обладнання гідродинамічного типу з середньорозмірним плаваючим робочим колесом. Наведено загальну характеристику дисертації.

У першому розділі викладені результати огляду інформаційних джерел, присвяченого проблемам перекачування рідини гідродинамічними насосами на режимах малих витрат і великих напорів. Показано, що існуюче вітчизняне насосне обладнання - багатоступеневі горизонтальні відцентрові насоси традиційного типу - при роботі на режимах малих витрат має низький ККД. Це пов'язано з застосуванням в якості робочих органів проточних частин з низьким коефіцієнтом швидкохідності. У той же час, закордонні зразки насосного обладнання для роботи на таких режимах, маючи прийнятну економічність, характеризуються складністю конструкції і малоприйнятними масогабаритними показниками при монопольно високій ціні.

Існує кілька шляхів підвищення економічності багатоступеневих відцентрових насосів. У першу чергу, ці шляхи пов'язані зі збільшенням коефіцієнта швидкохідності ns проточних частин. Збільшення ns можливо декількома шляхами, основними з яких є підвищення частоти обертання ротора насоса, або збільшення кількості ступенів. Обидва ці шляхи в даний час мають впровадження в насособудуванні, однак, мають і істотні недоліки. При збільшенні частоти обертання і кількості ступенів виникають проблеми з динамічною стійкістю ротора, необхідністю використання високообертового приводу, підвищеним зносом деталей проточної частини насоса, розвантаженням ротора від великої осьової сили і т.і.

В останні кілька років у закордонній практиці насособудування одержали широке поширення так звані горизонтальні насосні системи (ГНС). Таке насосне обладнання являє собою занурювальні багатоступеневі свердловинні насоси, розміщені горизонтально. В ролі робочих органів в них використовуються високоекономічні проточні частини з ns = …300. Завдяки використанню в ГНС таких проточних частин дане насосне обладнання має прийнятні показники економічності, однак, виникає істотний недолік - великі осьові габарити (l = …15 м). Вищевказані проблеми з динамічною стійкістю ротора з великою кількістю ступенів вирішуються шляхом застосування в кожній ступені індивідуальних опорних підшипників ковзання, що працюють на середовищі, що перекачується. Проблеми розвантаження ротора від осьової сили вирішуються шляхом використання в проточних частинах робочих колес плаваючого типу, тобто без закріплення їх на валу в осьовому напрямку. Діюча на РК осьова сила сприймається індивідуальними упорними підшипниками ковзання, що працюють на середовищі, що перекачується. Завдяки такій схемі в насосі перестає бути необхідністю застосування енергоємних розвантажувальних пристроїв (гідроп'яти, розвантажувального барабана), що є причиною втрати 7...10% об'ємного ККД.

Відзначається, що принципово можливе створення насосного обладнання гідродинамічного типу зі збереженням масогабаритних показників традиційних багатоступеневих насосів і з показниками економічності, характерними для закордонних ГНС. Для досягнення цього необхідне застосування схеми проточної частини з середньорозмірним РК плаваючого типу.

Показано, що збільшення габаритів РК у порівнянні з малорозмірними РК “свердловинного” конструктивного виконання призводить до збільшення осьової сили, що діє на опори ковзання, тому одним з факторів, що обмежують працездатність ступені, є режим тертя в опорах. Зроблено висновок про доцільність проведення досліджень, спрямованих на створення проточної частини з середньорозмірним відцентровим РК плаваючого типу, і використання результатів досліджень для створення компромісної (між занурювальною свердловинною і традиційною багатоступеневою) конструкції насосного обладнання.

У другому розділі визначена мета проведення дослідження, задачі, що повинні бути вирішені для її досягнення, обґрунтований вибір об'єкта дослідження. Описано методи і способи проведення дослідження.

Відзначено, що в даній роботі поставлена загальна задача - розробка науково - методичних основ створення високоекономичних проточних частин з середньорозмірними РК плаваючого типу, забезпечення з їх використанням можливості освоєння виробництва в Україні високоекономічних маловитратних високонапірних лопатевих насосів як компромісного технічного рішення між насосами традиційного типу вітчизняного виробництва і ГНС імпортного виробництва. Зроблено висновок про те, що для вирішення загальної задачі необхідно провести дослідження, у ході яких вирішити наступні окремі задачі:

- розробка фізико-математичної моделі течії рідини в елементах проточних частин з середньорозмірним РК плаваючого типу, конструкція яких відрізняється від проточних частин традиційного типу і малорозмірних проточних частин;

- створення на базі розробленої фізико-математичної моделі інженерної методики проектування проточних частин з середньорозмірними відцентровими РК плаваючого типу;

- проведення фізичного експерименту для перевірки адекватності створеної фізико-математичної моделі і розробленої методики проектування;

- створення базової моделі проточної частини з середньорозмірним РК плаваючого типу і створення на її основі дослідного зразка маловитратного високонапірного економічного насосного агрегату.

Констатується, що в роботі обраний розрахунково - експериментальний спосіб проведення дослідження, що включає в себе проведення необхідних розрахункових експериментів з наступною перевіркою їх результатів відповідними фізичними експериментами.

У третьому розділі приведені, власне, результати розрахунково – аналітичного й експериментального досліджень впливу конструктивних особливостей проточної частини з плаваючим РК на її робочий процес.

Визначено, що при традиційній конструкції проточної частини виконання середньорозмірного РК (рис.1) за схемою плаваючого не є можливим. Причиною цього є неможливість сприйняття осьового навантаження обмеженими в радіальному напрямку опорами ковзання через перевищення припустимих значень PV - фактора при терті опор. Зроблено висновок про те, що для забезпечення безвідмовної і надійної роботи опор ковзання необхідна наявність напіврідинного чи рідинного режимів тертя. Показано, що найбільш простим і ефективним засобом впливу на величину осьового зусилля (яке і визначає вид режиму тертя в опорах) є зміна конструкції пазух РК.

У результаті проведення на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки СумДУ комплексу експериментальних досліджень виявлено, що найкращий коефіцієнт зменшення осьового зусилля і найкращу технологічність виготовлення має система нерухомих радіальних лопаток у передній пазусі. При її установці відбувається практично повне вирівнювання епюри розподілу тиску в пазусі, тобто збільшення осьової сили, що діє на покриваючий диск, тобто, зменшення результуючої осьової сили.

При установці в передній пазусі системи нерухомих радіальних лопаток з мінімально можливим зазором для проточної частини з ns = ...65 можливе повне урівноваження осьового зусилля. Цей отриманий емпірично якісний результат ліг в основу подальших досліджень по виявленню найкращих з погляду зменшення осьової сили обрисів каналів лопаток, їхньої густоти і кількісної оцінки величини зазору в передній пазусі.

Проведення даних досліджень базується на подібності фізичної картини течії рідини в передній пазусі з встановленій в ній системою нерухомих лопаток з течією у міжколодочних каналах упорного підшипника ковзання.

Показано, що, на відміну від течії в міжколодочних каналах підшипника ковзання, при установці в передній пазусі РК системи нерухомих лопаток з мінімально можливим технологічно зазором рідина в каналах під дією перепаду тиску, рівного потенційному напору ступені, і радіального протоку практично не обертається, тобто wр®0. Це значно спрощує визначення величини осьової сили, що діє з боку передньої пазухи на РК:

, (1)

де r2, rпу– зовнішній радіус РК і радіус переднього ущільнення відповідно, Нр – потенційний напір ступені.

Встановлено, що наявність у передній пазусі системи нерухомих лопаток сприятливо позначається на динамічних характеристиках переднього ущільнення РК. Констатується, що при застосуванні такого конструктивного заходу коефіцієнт циркуляційних сил у порівнянні з конструкцією гладкої пазухи зменшується в 2.5…2.7 рази, коефіцієнти жорсткості і демпфування збільшуються в 1.2…1.4 рази.

Аналітично виведено, що при цьому найкращою формою каналу лопаток є прямокутник, а густота лопаток – l/tcp > 4.

У ході подальших досліджень установлено, що повне розвантаження РК від осьового зусилля за рахунок установки в передній пазусі системи нерухомих радіальних лопаток можливе при ns < 65. При великих значеннях коефіцієнта швидкохідності необхідне додаткове розвантаження РК.

Констатується, що для досягнення повного розвантаження в насособудуванні одержало широке поширення розміщення на основному диску РК системи імпелерів, функцією яких є збільшення швидкості обертання рідини в задній пазусі, тобто зменшення силового впливу на основний диск.

При проведенні комплексу експериментальних досліджень на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки встановлено, що з усіх відомих типів імпелерів (відкриті, закриті, профільовані, загнуті вперед та назад, радіальні) найкращою технологічністю виготовлення і найкращою ефективністю володіють прямі відкриті радіальні імпелери. Механізм силового впливу рідини в задній пазусі з імпелерами на основний диск можна вважати досить вивченим, тому для обчислення значення осьової сили, що діє з боку задньої пазухи на основний диск запропонований підхід, відповідно до якого необхідна розбивка основного диску на ділянки і визначення осьової сили, що діє на кожну з них. З усього різноманіття наявних у літературі рекомендацій з визначення швидкості обертання рідини в задній пазусі з імпелерами обрана залежність

wРК, (2)

де hі - висота імпелерів, Sз - зазор у задній пазусі.

Констатується, що при відсутності протоку в задній пазусі (випадок, що має місце при схемі плаваючого РК) результати, обчислені по даній залежності, добре погоджуються з експериментом.

Встановлено, що для визначення режиму тертя в опорах ковзання доцільне застосування запозичених з теорії гідродинамічного змащення критеріїв навантаження G (Гюмбеля) і режиму S (Зомерфельда) (рис.2)

; , (3)

де m - коефіцієнт динамічної в'язкості, F - площа тертя, U - окружна швидкість на середньому діаметрі пари тертя, Р - питомий тиск.

Показано, що з їх допомогою необхідно визначати значення коефіцієнта тертя в опорах ковзання, що має мінімальну величину при мінімальних S і G.

У четвертому розділі викладена методика розрахунку параметрів ступені з середньорозмірним РК плаваючого типу, і результати її експериментальної перевірки.

Методика базується на розрахунку осьових сил, що діють з боку передньої і задньої пазух з наступним визначенням режимів тертя в опорах ковзання.

Показано, що в балансі енергії ступені з середньорозмірним РК плаваючого типу, у порівнянні зі ступенню з РК традиційного типу, мають місце додаткові втрати енергії, пов'язані з наявністю опор ковзання і імпелерів на основному диску РК. Разом з тим, має місце збільшення енергії, зумовлене збільшенням напору, створюваного імпелерами. Ці складові балансу енергії необхідно враховувати при розрахунку параметрів ступені.

Для експериментальної перевірки методики розрахунку параметрів ступені створений експериментальний стенд, що працює за замкнутою схемою циркуляції. В якості робочого середовища використовується вода при температурі 15...20°С. До складу основного устаткування експериментального стенду входять два герметичних баки, експериментальний насос, балансирна машина постійного струму, витратомірний звужуючий пристрій (діафрагма) з дифманометром, система трубопроводів. До складу стенда входять також пульт керування, система контрольно – вимірювальної апаратури, допоміжні трубопроводи і запірна арматура.

Методика проведення експериментальних досліджень у частині зняття енергетичних характеристик ступені не відрізнялася від загальноприйнятої. Результати експериментальних досліджень були оброблені за допомогою безрозмірних коефіцієнтів

; ;, (4)

де Н – напір; U2 - колова швидкість; Q - витрата; D2 - зовнішній діаметр; b2 - ширина РК на виході; N - потужність; r - густина середовища, що перекачується.

Отримані експериментально безрозмірні характеристики порівнювалися з побудованими з використанням методики розрахунку параметрів ступені характеристиками. Результати порівняння показані на рис. 3-5.

Видно, що при розрахунку параметрів ступені з плаваючим РК методика має прийнятну для інженерної практики точність. При розрахунку параметрів ступені з неплаваючим РК точність результатів розрахунків за методикою знижується. Це пояснюється неможливістю врахування протоку рідини в задній пазусі, що має місце в даному випадку.

Що стосується порівняння експериментальних результатів вимірів осьової сили з розрахунком за методикою, то розбіжності також пояснюються неможливістю врахування кількісного впливу протоку в задній пазусі на величину осьової сили. Установлено, що при відсутності протоку в задній пазусі при плаваючому виконанні РК ці розбіжності будуть зведені до мінімуму.

На закінчення приводяться результати перевірки створеної методики розрахунку при створенні першої вітчизняної ГНС ЦНСБ 45 – 1500 (рис. 6). Відзначається, що в усьому діапазоні витрат результати розрахунку параметрів відрізняються від отриманих при промислових випробуваннях насоса на величини, припустимі ДСТ 6134 – 87 "Насоси динамічні. Методи випробувань".

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена важлива науково-технічна задача науково-методичного забезпечення створення принципово нової конструктивної схеми високоекономічного високонапірного маловитратного насосного обладнання гідродинамічного типу. Вирішення даної задачі забезпечує зменшення матеріаломісткості та збільшення економічної ефективності роботи потужного насосного обладнання, яке є необхідним для сучасного промислового виробництва.

За результатами виконаної роботи можна зробити наступні висновки:

- виконаний огляд інформаційних джерел показав, що проблема перекачування рідин з малими витратами і великими напорами в деяких галузях промисловості (зокрема, в нафтовій) стоїть дуже гостро. При цьому об'ємні насоси, призначені для роботи на режимах малих витрат і великих напорів, не можуть функціонувати через неприйнятні для їх безвідмовної роботи властивості середовищ, що перекачуються;

- відзначається, що робота відцентрових насосів динамічного типу на таких режимах у більшості випадків не є доцільною через їх низьку економічність. Причиною низької економічності відцентрових насосів традиційної конструкції є застосування в них проточних частин з низьким коефіцієнтом швидкохідності ns. Поряд з цим, закордонні зразки насосного обладнання динамічного типу на такі параметри, хоч і мають прийнятну економічність, мають складну конструкцію і великі масогабаритні показники. У такій ситуації актуальною є задача пошуку розумного компромісного варіанта створення насосного обладнання, що має економічність закордонних аналогів і масогабаритні показники традиційного вітчизняного;

- в якості технічного об'єкта дослідження вибрана проточна частина з відцентровим РК плаваючого типу ns=80. Встановлено, що факторами, які обмежують працездатність такої ступені, є осьова сила і динамічні характеристики ротора насоса; при цьому критерієм її оптимізації залишається ККД при бажано менших масогабаритних показниках;

- виявлено, що найкращою з погляду зменшення осьової сили, яка діє на РК, ефективністю і технологічністю виготовлення є конструкція передньої пазухи з встановленою в ній системою нерухомих радіальних лопаток. Визначено, що найбільшу ефективність буде мати система лопаток густотою l/tсрі4, формою каналу, близької до прямокутника, із зазором у пазусі, мінімально досяжним технологічно;

- показано, що найкращим конструктивним заходом для повного розвантаження РК від осьової сили є установка в його задній пазусі (на основному диску) системи радіальних імпелерів. Установлено, що їх максимальна ефективність досягається при відсутності протоку в задній пазусі і мінімальному зазорі між роторною і статорною частинами;

- з використанням розроблених фізико - математичних моделей течій в пазухах робочого колеса виведені залежності для визначення осьової сили, що діє на основний і покриваючий диски РК, та наведені залежності для перевірки працездатності опор ковзання за обчисленим значенням осьової сили;

- встановлено, що переднє ущільнення плаваючого РК з нетрадиційною конструкцією передньої пазухи має підвищені динамічні характеристики. Це досягається за рахунок зменшення закручення потоку в передній пазусі, а також за рахунок збільшення перепаду тиску на ущільненні до величини потенційного напору ступені;

- показано, що при розрахунку опор ковзання плаваючого РК можливе використання теорії торцевих ущільнень;

- на базі сформульованих теоретичних положень розроблена методика проектування проточної частини з відцентровим середньорозмірним плаваючим РК. При її експериментальній перевірці встановлено, що створена методика має достатню для інженерної практики точність;

- методика проектування перевірена експериментально при створенні макетного і дослідного зразків першої вітчизняної ГНС ЦНСБ 45-1500. Дане насосне обладнання по техніко-економічним і масогабаритним показникам не має вітчизняних і знаходиться на рівні кращих світових аналогів;

- результати даної роботи впроваджені в робочому проекті ГНС ЦНСБ 45-1500, виготовленій ВАТ СЗ “Насосенергомаш”, впроваджені в НГВУ “Охтирканафтогаз” ВАТ “Укрнафта”, та використовуються в навчальному процесі СумДУ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

1. Гулый А.Н., Руденко А.А., Твердохлеб И.Б. Усовершенствование геометрии передней пазухи насоса типа ЦНС // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. - К., 1999. - Вып. 35. – С. 205 – 210.

2. Олада Н.М., Руденко А.А., Твердохлеб И.Б. Особенности влияния геометрии задней пазухи центробежного плавающего рабочего колеса на характеристику насосной ступени // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. - К., 1999. - Вып. 36. Т.1. – С. 217 – 226.

3. Неня В.Г., Руденко А.А. Гидродинамические особенности течения в пазухах центробежного рабочего колеса плавающего типа и его математическое моделирование // Зб. наукових праць КДТУ/ техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація / - Вип. 7. – Кіровоград: КДТУ, 2000. – С. 58 – 63.

4. Евтушенко А.А., Руденко А.А., Твердохлеб И.Б. Основные положения методики проектирования проточной части многоступенчатого центробежного насоса со среднеразмерными рабочими колесами плавающего типа // Сб. научн. тр. международной научно – технической конференции “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”. – Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2000. - С. 441 – 447.

5. Руденко А.А. Об оптимизации параметров ступени с центробежным плавающим рабочим колесом // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. К., 2000. - Вып. 38. – С. 29 – 34.

6. Неня В.Г., Руденко А.А. Макромоделирование рабочего процесса насосной ступени с центробежным среднеразмерным плавающим рабочим колесом // Вестник НТУ “ХПИ”: Технологии в машиностроении. Харьков, 2001. - Вып. 129. Ч. 1. – С. 375 – 379.

7. Евтушенко А.А., Руденко А.А., Твердохлеб И.Б. Область применения лопастных насосов с центробежными рабочими колесами плавающего типа // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. К., 2002. - Вып. 42. Т. 2. -

С.119 - 122.

АНОТАЦІЯ

Руденко А.А. Особливості робочого процесу відцентрових насосів з середньорозмірним робочим колесом плаваючого типу. - 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 маловитратних високонапірних високоекономічних відцентрових насосів з середньорозмірними робочими колесами плаваючого типу. Розглянуто особливості течії рідини в пазухах плаваючого робочого колеса, що мають нетрадиційну конструкцію. Розроблено фізичну модель течії в передній пазусі з встановленій в ній системою нерухомих радіальних лопаток на основі теорії течії в міжколодочних каналах підшипників ковзання. Обґрунтовано положення про те, що основними факторами, що обмежують працездатність ступені з середньорозмірним відцентровим плаваючим робочим колесом, є осьова сила і динамічні характеристики переднього ущільнення робочого колеса. Розроблено методику розрахунку параметрів ступені з середньорозмірним відцентровим робочим колесом плаваючого типу. Основні результати роботи впроваджені на промислових підприємствах України.

Ключові слова: відцентровий насос, робоче колесо, передня пазуха, радіальні лопатки, переднє ущільнення, плаваючий тип, методика.

SUMMARY

Rudenko A.A. Features of a working process of centrifugal pumps with middle - size by the working wheel of a floating type. – 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 a low capacity of high-head highly economical centrifugal pumps with middle-size working wheels of a floating type. The features of flow of a liquid in sinuses of the floating working wheel having a nonconventional design are reviewed. The physical analog of flow in a forward sinus with established in her system of fixed radial vanes is designed on the basis of the theory of flow in between-chock channels of sliding bearings. The position is reasonable that major factors limiting functionability of a stage with middle-size by the centrifugal floating working wheel, are axial force and response curves of forward seal of the working wheel. The technique of calculation of parameters of a stage with middle-size by the centrifugal working wheel of a floating type is designed. The main results of this work were applied at the industrial enterprises of Ukraine.

Key words: centrifugal pump, working wheel, forward sinus, radial vanes, forward seal, floating type, technique.

АННОТАЦИЯ

Руденко А.А. Особенности рабочего процесса центробежных насосов со среднеразмерным рабочим колесом плавающего типа. - Рукопись.

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

В диссертации на основании анализа литературных данных показано, что потребность в перекачивании жидкостей с малыми подачами и высокими напорами в некоторых отраслях промышленности стоит весьма остро. При этом во многих случаях применение типичных для таких параметров насосов объемного типа не представляется возможным по причине несоответствия их характеристик свойствам перекачиваемой среды (загрязненность, химическая активность и т.д). Эксплуатация многоступенчатых центробежных насосов традиционного конструктивного исполнения на режимах малых подач не является целесообразной из – за неприемлемых показателей экономичности – КПД. Причиной низкого КПД является низкое значение коэффициента быстроходности проточных частей, применяющихся в насосах традиционного типа.

Увеличение коэффициента быстроходности, т.е. повышение КПД, возможно несколькими способами, основными из которых являются увеличение частоты вращения и увеличение количества ступеней насоса. Эти пути связаны с некоторыми трудностями – обеспечением динамической устойчивости ротора с большим числом ступеней, разгрузкой ротора от осевого усилия, технологическими проблемами. При условии преодоления этих трудностей возможно создание принципиально новой конструктивной схемы насоса – с массогабаритными показателями, аналогичными массогабаритным показателям насосов традиционного типа, и с показателями экономичности, аналогичными показателям экономичности погружных скважинных насосов, имеющих большие осевые и малые радиальные габариты и приемлемый уровень КПД.

Установлено, что разработка новой компромиссной конструктивной схемы насоса возможна на базе создания проточной части со среднеразмерным рабочим колесом плавающего типа, основных отличием которого от рабочих колес традиционного типа является отсутствие его закрепления на валу в осевом направлении. Осевая сила, действующая на рабочее колесо в этом случае, воспринимается индивидуальными упорными подшипниками скольжения.

Показано, что первым основным фактором, ограничивающим работоспособность ступени, является осевая сила, действующая на опоры скольжения. Для уменьшения осевой силы, действующей на опоры скольжения, предложена принципиально новая конструкция передней пазухи рабочего колеса, предполагающая установку в пазухе системы неподвижных прямых радиальных лопаток. Доказано, что наилучшей формой канала лопаток является прямоугольник, вытянутый в осевом направлении, густота лопаток – l/tcp>4.

Вторым основным фактором, ограничивающим работоспособность ступени с плавающим рабочим колесом, являются динамические характеристики переднего уплотнения. Доказано, что установка в передней пазухе системы лопаток благоприятно сказывается на динамических параметрах щелевого уплотнения. Показано количественное увеличение коэффициентов жесткости и демпфирования щели уплотнения.

Для полной разгрузки опор скольжения от осевого усилия предложена установка в задней пазухе плавающего рабочего колеса системы радиальных импеллеров.

Выполнен анализ баланса энергии ступени с плавающим рабочим колесом. Предложены зависимости для определения составляющих баланса энергии, нехарактерных для ступеней с рабочими колесами традиционного типа.

Разработана методика расчета параметров ступени со среднеразмерным рабочим колесом плавающего типа. Для проверки ее адекватности создан экспериментальный стенд. По экспериментальным данным установлены границы применимости разработанной методики расчета.

По результатам работы изготовлены и испытаны в промышленных условиях макетный и опытный образцы первой отечественной горизонтальной насосной системы ЦНСБ 45 – 1500. Полученные результаты испытаний позволяют констатировать, что созданное насосное оборудование по совокупности показателей качества находится на уровне лучших мировых аналогов.

Выполненные исследования позволили получить практически значимые результаты для сегодняшней практики насосостроения и подготовки специалистов в этой области, для проведения мероприятий по улучшению технико-экономических показателей работы действующего и создаваемого заново насосного оборудования гидродинамического типа.

Ключевые слова: центробежный насос, рабочее колесо, передняя пазуха, радиальные лопатки, переднее уплотнение, плавающий тип, методика.

Підп. до друку 04.11.02 р. Наклад 100 прим. Зам. №_____ Формат 60ґ90/16. Обл.-вид. арк. 1,1.

_____________________________________________________________“

Ризоцентр” СумДУ. 40007, Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.