Робочий процес динамічних насосів нетрадиційних конструктивних схем на газорідинних сумішах

Размещено на http://www.allbest.ru/

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.65: 532.529

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОБОЧИЙ ПРОЦЕС ДИНАМІЧНИХ НАСОСІВ НЕТРАДИЦІЙНИХ КОНСТРУКТИВНИХ СХЕМ НА ГАЗОРІДИННИХ СУМІШАХ

05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

КОЛІСНИЧЕНКО ЕДУАРД ВАСИЛЬОВИЧ

Суми - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Сумському державному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Євтушенко Анатолій Олександрович, кандидат технічних наук, професор, Сумський державний університет, завідувач кафедри ПГМ.

Офіційні опоненти:

Сьомін Дмитро Олександрович, доктор технічних наук, Східноукраїнський національний університет імені В. Даля, професор кафедри гідрогазодинаміки;

Кононенко Анатолій Петрович, кандидат технічних наук, Донецький національно-технічний університет, доцент кафедри енергомеханічних систем.

Провідна установа: Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут".

Захист відбудеться 14 червня 2007 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 "14"травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Є.М. Савченко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема перекачування газорідинних сумішей (ГРС) завжди була в полі зору насособудівників, але й до цього часу вона залишається складним у теоретичному й практичному плані завданням.

Потреба в надійному й простому насосному обладнанні для переміщення рідин, збагачених газом, існує в цілому ряді галузей промисловості: нафтовидобувній та переробній, хімічній, медичній та харчовій, біотехнології, енергетиці і т. д.

У складі сучасних гідравлічних мереж найбільш використовуваним є насосне обладнання гідродинамічного принципу дії, робочий процес якого є недостатньо вивченим навіть при роботі на чистих (тобто таких, що не містять домішок) рідинах. Що стосується перекачування гідросумішей, то знання по роботі названого насосного обладнання для даних умов роботи практично відсутні.

Основною проблемою при перекачуванні ГРС є проблема зриву параметрів насоса, який призводить до повної втрати його працездатності.

Для запобігання випадкам втрати працездатності гідравлічних мереж, які працюють на ГРС, як правило, використовується спеціальне насосне обладнання, оснащене додатковими конструктивними вузлами. Його використання дозволяє виключити названі випадки втрати працездатності, але одночасно приводить до підвищення собівартості та зниження надійності в роботі таких мереж.

Відомо, що відцентрові насоси традиційних конструктивних схем стійко працюють, коли величина критичного об'ємного газовмісту не перевищує 10-15 % від загального об'єму суміші, що перекачується. Але дуже часто трапляються ситуації, коли рівень газу в ГРС значно вище. Тому необхідно таке насосне обладнання, яке зможе забезпечити стійку роботу насосів та відносно високий рівень їх ККД для заданих умов роботи на ГРС, що дозволить скоротити фінансові витрати як у виробників, так і у споживачів названого обладнання.

Вирішення завдання вибору з усього різноманіття динамічних насосів, які працюють на ГРС, оптимального конструктивного виконання їхньої проточної частини виконує важливу роль для споживачів даного насосного обладнання. Розглянуте завдання є складним, але вирішуваним в існуючих умовах. Проведення дослідження, спрямованого на вирішення розглянутого завдання, є доцільним й економічно виправданим.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Наукові розробки реалізовані при виконанні держбюджетної НДР за темами:

80.01.04.00-02 д/б "Дослідження нетрадиційних турбомашин і систем для вирішення енергетичних й екологічних проблем" (замовник - Міністерство освіти і науки України, номер державної реєстрації 0100 U003214), особистий внесок здобувача - у заключному звіті розділ "Програма й методика експериментального дослідження роботи однолопатевих робочих коліс на газорідинній суміші";

80.01.05.03-05 д/б "Наукові основи технічного забезпечення енергозберігаючих технологій у гідропневмосистемах" (замовник - Міністерство освіти і науки України, номер державної реєстрації 0103 U000769).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є вивчення робочого процесу відцентрових насосів з одно- та дволопатевими робочими колесами (РК), які працюють на ГРС, а також створення рекомендацій з вибору найбільш прийнятного насосного обладнання для заданих умов роботи.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі задачі:

- аналіз роботи динамічних насосів на ГРС у широкому діапазоні швидкохідності та оцінка впливу конструктивного виконання їхніх проточних частин на стійку роботу на ГРС;

- визначення ступеня застосовності відцентрових насосів, що мають РК із малим числом лопатей (1, 2), в умовах їхньої роботи на ГРС;

- оцінка впливу геометрії проточної частини однолопатевих РК на характеристики відцентрового насоса, який працює на ГРС;

- аналіз впливу пазух одно- та дволопатевих РК відцентрового насоса на якість його роботи на ГРС.

Об'єкт дослідження - робочий процес відцентрових насосів з одно- та дволопатевими РК.

Предмет дослідження - вплив особливостей конструктивного виконання проточних частин відцентрових насосів з одно- та дволопатевими РК, що працюють на середовищах із вмістом газу, на їхній робочий процес.

Методи дослідження. Поставлені задачі дослідження вирішувалися шляхом використання розрахунково-аналітичного методу, методу фізичного моделювання на стенді, методу чисельного моделювання на ЕОМ, випробувань дослідно-промислових зразків насосного обладнання.

Розрахунково-аналітична частина базувалася на використанні сучасних теорій: теорії турбомашин, гідравліки, механіки рідини й газу. Через складність та багатоплановість предмета дослідження в основному використовувалися емпіричні залежності.

Фізичний експеримент містив у собі енергетичні випробування відцентрового насоса, що має РК зі зменшеним числом лопатей при його роботі на ГРС.

Чисельне моделювання течій рідини проводилося на ЕОМ з використанням комерційних програмних продуктів FlowVision та ANSYS CFX. Розрахунок проводився шляхом чисельного розв'язування рівнянь Нав'є-Стокса та рівнянь нерозривності. Розрахунок припускав візуалізацію течії в проточній частині насоса. Вірогідність наукових результатів підтверджується використанням широко апробованих і визнаних результатів прикладної гідроаеромеханіки, які базуються на фундаментальних законах і закономірностях механіки рідини й газу, а також результатами порівняння розрахункових даних з відомими експериментальними даними.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлено, що найменш досліджений в області перекачування ГРС діапазон швидкохідності можна частково заповнити використанням відцентрових насосів з одно- та дволопатевими РК;

- запропоновано рекомендації щодо вибору оптимальної проточної частини відцентрового насоса для роботи на ГРС;

- запропоновано рекомендації щодо вибору оптимального насосного обладнання для заданих умов роботи на ГРС;

- розроблено методику перерахунку основних параметрів відцентрового насоса з одно- та дволопатевими РК з води на газорідинну суміш.

Практичне значення отриманих результатів:

- надано рекомендації з вибору насосного обладнання для заданих умов роботи на ГРС у різних діапазонах швидкохідності;

- надано рекомендації з вибору найбільш оптимального виконання робочих коліс, що мають різну кількість лопатей для заданих умов роботи відцентрового насоса на ГРС.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на промислових підприємствах м. Сум (ЗАТ "НВО "Гідромаш", ВАТ "ВНДІАЕН") і в навчальному процесі Сумського державного університету, що підтверджено наведеними у дисертаційній роботі актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях, які відображають основні результати дисертації й написані у співавторстві, автору належать: [1] - створення програми й методики експериментального дослідження робочого процесу відцентрових насосів, що мають робочі колеса з малою кількістю лопатей; [2] - створення рекомендацій з вибору насосного обладнання, що працює на ГРС, для заданих умов роботи; [3] - експериментальні дані про вплив рівня газовмісту на характеристики відцентрового насоса з однолопатевим РК, під час його роботи на ГРС; [4] - експериментальні дані про вплив геометрії проточної частини однолопатевих РК на характеристики працюючого на ГРС динамічного насоса; [5] - аналіз експериментальних даних, що стосується перекачування ГРС відцентровими насосами з одно - та дволопатевими РК, а також вільновихрового насоса (ВВН) типу "Turo"; [6] - вивчення можливості застосування існуючих рішень, реалізованих у вигляді комерційних програмних продуктів, в області розрахунку течій насосів, що перекачують гідросуміші; [7] - вивчення впливу пазух одно- та дволопатевих РК на стійку роботу відцентрового насоса на ГРС; [8] - експериментальні дані про вплив величини газовмісту на характеристики відцентрового насоса з дволопатевими РК, під час їх роботи на ГРС.

Апробація роботи. Основні положення й результати дисертації доповідалися й обговорювалися на:

7-й - 11-й Міжнародних конференціях "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці" (м. Київ, 2002, 2004, 2006; м. Черкаси, 2003; м. Краматорськ, 2005);

Міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалювання турбоустановок методами математичного й фізичного моделювання" (м. Харків, 2003, 2006);

Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 100-річчю Т.М. Башти (м. Київ, 2004);

13-й Міжнародній науково-технічній конференції з компресоробудування "Компресорна техніка й пневматика в XXI столітті" (м. Суми, 2004);

науково-технічних конференціях викладачів, співробітників, аспірантів і студентів СумДУ (щорічно з 2001 по 2006 рік включно).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 статей у спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАКу України. Матеріали дисертації використовувалися також у звітах з НДР.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списків використаних джерел і додатків. Ілюстрації вміщують 53 малюнки з них 11 - на окремих сторінках, усього 11 таблиць, з них 4 розміщені на 7 окремих сторінках. У бібліографії 123 використаних джерела на 13 сторінках. Загальний обсяг дисертації 164 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі було обґрунтовано доцільність і актуальність вивчення питання перекачування ГРС гідродинамічними насосними агрегатами. Сформульовані мета й задачі дослідження. Наведено основну інформацію про апробації роботи, публікації і структуру дисертації.

У першому розділі викладені результати інформаційно-аналітичного огляду сучасного стану проблеми, пов'язаної з роботою сучасного насосного обладнання, що працює на ГРС.

Розвиток ряду галузей промисловості, пов'язаних із переробкою та переміщенням суспензій, що вмішують газ (нафтовидобувна, нафтопереробна, харчова, мікробіологічна й ін.), вимагає створення спеціального насосного обладнання, здатного ефективно перекачувати продукти з високим рівнем газовмісту. При цьому основними експлуатаційними вимогами, пропонованими до зазначеного насосного обладнання, є: а) гранична величина газовмісту в перекачуваній суміші; б) економічність; в) масові та габаритні показники. Виходячи із цього, основним критерієм, що визначає рівень виробничих витрат у споживача, є величина граничного газовмісту перекачуваного середовища, відсуваючи показник економічності насоса на другий план.

На основі літературного дослідження впливу вільного газу на робочий процес насосного обладнання встановлено:

- наявність газу в перекачуваному середовищі призводить до зниження напору, подачі та ККД насоса, причому зниження параметрів збільшується зі зростанням величини газовмісту;

- зі збільшенням газовмісту погіршується усмоктувальна здатність насоса, і при деякому його критичному значенні настає зрив параметрів;

- при перекачуванні ГРС у робочому колесі відцентрового насоса при стандартній кількості лопатей (5-7) можуть спостерігатися три форми потоку: емульсійна, перехідна та емульсійно-відривна;

- основними причинами зниження параметрів насоса є погіршення обтікання робочих органів і поява втрат на міжфазне тертя;

- при постійному газовмісті зниження напору зменшується з підвищенням дисперсності газової фази (зі зменшенням розмірів пухирців), що зростає зі збільшенням частоти обертання;

- наявність газових каверн, що постійно утворюються, у робочому колесі призводить до порушення кінематичної подоби при різному газовмісті;

- шкідливий вплив вільного газу на роботу насоса зменшується при збільшенні кількості щаблів.

Детально розглянуто пропоноване насосне обладнання для перекачування ГРС із високим газовим фактором, яке на даний момент використовується організаціями, що його експлуатують, у різних діапазонах швидкохідності. У ході огляду встановлений найменш досліджуваний у розглянутому питанні діапазон швидкохідності , частково заповнити який можна використанням насосів із РК, що мають малу кількість лопатей.

При проведенні літературного огляду встановлено, що існує велика кількість праць з вивчення впливу ГРС на роботу динамічних насосів. Недоліком цих праць є те, що вони вузькоспеціалізовані, а інколи містять суперечливі факти. Пропоновані методики мають приватний характер, тобто вони прив'язані до конкретного конструктивного виконання насосного обладнання.

На цей час розроблені та гарно зарекомендували себе методи чисельного розрахунку течій у проточних частинах гідромашин, реалізовані у вигляді комерційних програмних продуктів. Названі методи створені з метою забезпечення надійної роботи гідравлічних мереж, у складі яких використовується різного роду насосне обладнання, в умовах їх експлуатації як на чистій рідині, так і на гідросумішах. Вони дозволяють спрогнозувати характеристики насосів, а також їх зміну залежно від складу перекачуваного середовища на стадії проектування, до виготовлення насоса в металі.

У другому розділі визначені мета проведення дослідження й завдання, які вирішувалися для її досягнення. Описано методи й способи проведення дослідження.

Оскільки теоретичне вивчення робочого процесу зазначених насосів на гідросуміші являє собою складне завдання, було ухвалене рішення про вибір експериментального методу дослідження як основного. Експериментальний метод припускає проведення фізичного експерименту й дослідження з використанням методів чисельного моделювання.

РК досліджуваного насоса (див. рис. 1) - одно- та дволопатеві, мають різну геометрію проточної частини, з боку основного й покривного дисків встановлені імпелери.

а) б)

Рис. 1 - Робочі колеса досліджуваного насоса: а) однолопатеве РК; б) двохлопатеве РК

Для оцінки впливу газу на робочі характеристики насоса зручним є використання співвідношення безрозмірних коефіцієнтів напору , потужності , подачі та ККД до безрозмірних коефіцієнтів цих параметрів у точці максимального ККД при перекачуванні насосом чистої рідини.

При проведенні досліджень робочого процесу відцентрового насоса, що працює на ГРС, визначалися такі основні залежності: , , . Коефіцієнт характеризує об'ємну частку газової фази у суміші, що перекачується.

Представлені схема досліджуваного насоса, гідравлічна схема проведення випробувань, методика проведення фізичного експерименту, а також похибки результатів проведення експерименту. Що стосується методів чисельного моделювання, то розглядалося використання таких комерційних програмних продуктів: пакет FlowVision, а також пакет ANSYS CFX.

У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень впливу вільного газу ГРС, що перекачується, на робочі характеристики відцентрового насоса з одно- та дволопатевими РК.

У ході дослідження розглядалися РК із різною геометрією проточних частин. Основні характеристики розглянутих РК подані у таблицях 1, 2.

Таблиця 1. Основні характеристики відцентрового насоса з однолопатевими РК

РК	2, град	л, град	0	0	0	0	ns
№1	22	255	0,6	0,024	0,027	0,54	163
№2	40	205	0,613	0,025	0,029	0,54	151
№3	22	255	0,623	0,025	0,03	0,53	159
№4	30	225	0,62	0,026	0,031	0,52	150

Таблиця 2. Основні характеристики відцентрового насоса з дволопатевим РК

РК	ш0	ц0	м0	з0	ns
№5	0,834	0,027	0,04	0,58	130
№6	0,758	0,027	0,038	0,56	133

У таблицях - кут встановлення лопаті на виході з РК; - кут обхвату лопаті в плані.

Дослідження проводилися в діапазоні зміни подач . У ході досліджень встановлено, що величина критичного об'ємного газовмісту для насоса з однолопатевими РК становить 50-52 %, із дволопатевими - 32-34 %. Під критичним об'ємним газовмістом розуміють таку наявність газової фази в суміші, при якій ще можлива робота насоса, у випадку перевищення її настає зрив параметрів насоса. Вплив нерозчиненого газу в перекачуваній суміші на робочі характеристики досліджуваного насоса з однолопатевим РК №3 та двохлопатевим РК №6 представлений на рис. 2-4.

РК №3 РК№6

Рис. 2. Зміна напірних характеристик розглянутого відцентрового насоса при різних величинах газовмісту

РК №3 РК №6

Рис. 3. Зміна характеристик потужності розглянутого відцентрового насоса при різних величинах газовмісту

З рисунків випливає, що на початкових стадіях подачі газу параметри розглянутого насоса незначно зростають. Так, у випадку використання однолопатевого робочого колеса РК №3 зростання параметрів відбувається при збільшенні об'ємного газовмісту від 0 до 12 %; у випадку використання двохлопатевого колеса параметри насоса зростають при зміні газовмісту від 0 до 7 %. На нашу думку, суть явища зростання параметрів насоса полягає у тому, що на початкових стадіях подачі газу газові пухирці розміщуються рівномірно по всьому об'єму рідини, не змінюючи структури суміші. При цьому щільність ГРС у порівнянні із чистою рідиною зменшується, що й приводить до зростання параметрів насоса. Аналогічне явище використовується в ерліфтних установках, де підйом газорідинної суміші здійснюється за рахунок зменшення щільності цієї суміші порівняно із чистою рідиною.

РК №3 РК №6

Рис. 4. Зміна характеристик ККД розглянутого відцентрового насоса при різних рівнях газовмісту

При подальшому збільшенні кількості газової фази в суміші параметри насосів зменшуються. Це можна пояснити тим, що поряд зі зменшенням щільності газонасиченої суміші у міру збільшення кількості в ній газу відбувається зміна структури суміші, що призводить до погіршення умов обтікання проточної частини робочого колеса та збільшення втрат на міжфазове тертя.

Також було проведене порівняння робочих процесів на ГРС насосів, що мають одно- та дволопатеві РК з роботою вільновихрових насосів (ВВН) типу "Turo". Встановлено, що насоси з одно- та дволопатевими колесами, які мають рівень економічності, близький до рівня економічності насосів ВВН типу "Turo", здатні стійко працювати при більш високих значеннях коефіцієнта швидкохідності та мають більш високі протизривні показники на ГРС.

Проведено вивчення впливу пазух РК на робочі характеристики насоса з одно- та дволопатевими РК. При цьому використовувалися кілька варіантів конструктивного виконання передньої та задньої пазух, які були отримані при заливанні гіпсом: відцентровий насос газорідинна суміш

а) імпелери виконані як на основному, так і на покривному дисках РК (первісний варіант). При цьому переднім ущільненням є торцева щілина між корпусом насоса та передніми імпелерами колеса, тоді як традиційно переднє ущільнення виконується у вигляді циліндричної щілини. При цьому рух суміші в передньому ущільненні проходить від центра до периферії, на відміну від традиційного виконання, де рух відбувається навпаки - від периферії до центра;

б) основний і покривний диски колеса виконані гладкими (виконання без імпелерів);

в) на основному диску РК виконані імпелери (залиті передні імпелери);

г) РК з імпелерами на покривному диску (залиті задні імпелери).

При різному конструктивному виконанні пазух РК виявлено, що при установленні імпелерів на їхніх дисках спостерігається підвищення напірної характеристики, характеристики потужності і подачі у порівнянні з виконанням без імпелерів. Підвищується також у цьому випадку якість роботи насоса (тобто здатність стійко працювати при більш високих рівнях газовмісту в суміші, що перекачується). Недоліком виконання з імпелерами на дисках РК є те, що ККД насоса в цьому випадку трохи знижується в порівнянні з виконанням без імпелерів. Слід зазначити той факт, що при установленні імпелерів на основному (задньому) диску ступінь стійкої роботи насоса помітно вище, ніж при розміщенні імпелерів на покривному (передньому) диску.

Запропоновано рекомендації щодо вибору оптимальної конструкції проточної частини РК відцентрового насоса, що працює на ГРС (див. рис. 5).

З характеристики бачимо, що в діапазоні газовмісту від 0 до 0,15 найбільш ефективним є використання РК традиційного конструктивного виконання. При цьому максимальний рівень ККД насоса змінюється від 0,85 до 0,6.

Діапазон від 0,15 до 0,34 - вибір робиться на користь насосів з дволопатевими РК. Зі збільшенням рівня газовмісту ККД насосу змінюється в діапазоні від 0,56 до 0,23.

У діапазоні від 0,34 до 0,5 може бути використане насосне обладнання з однолопатевими колесами. ККД змінюється від 0,53 до 0,13.

Рис. 5. Характеристика з вибору оптимального насосного обладнання для умов роботи на ГРС

За аналогією до рекомендацій щодо вибору оптимального насосного обладнання для роботи на чистій рідині залежно від запропоновані рекомендації щодо вибору оптимального насосного обладнання, що перекачує ГРС для різних діапазонів швидкохідності (див. рис. 6):

Рис. 6. Рекомендації щодо вибору оптимального насосного обладнання, що перекачує ГРС для різних діапазонів швидкохідності

- у межах швидкохідності для перекачування газорідинних сумішей доцільно використовувати лабіринтно-гвинтові та вихрові насоси (зона 1, див. рис. 6);

- у діапазоні швидкохідності знайшли застосування на ГРС ВВН типу "Turo" (зона 2, див. рис. 6);

- у межах швидкохідності й можливе використання відцентрових насосів із дво- і однолопатевими робочими колесами (зони 3 й 4, див. рис. 6);

- у діапазоні досить добре працюють високообертові оседіагональні насоси (зона 6, див. рис. 6);

- при значеннях для роботи на ГРС найбільш прийнятними є осьові насоси (зона 7, див. рис. 6).

Маловивченим залишається діапазон швидкохідності (зона 5, див. рис. 6).

Викладені результати розрахунку течії рідини усередині проточної частини відцентрового насоса з одно- та дволопатевими робочими колесами з використанням методів чисельного моделювання.

Результати розрахунку з використанням пакета FlowVision.

На підставі проведених досліджень та узагальнення результатів уявляється така модель течії рідини в проточній частині розглянутого насоса: рідина, потрапляючи усередину РК, під дією відцентрових сил відкидається у радіальному напрямку. В результаті силової взаємодії лопатей РК із потоком, його швидкість біля робочої сторони лопаті зростає при збільшенні радіуса колеса. Коли лопать колеса знаходиться поблизу язика відводу, внаслідок збільшення опору відбувається різке зростання швидкості потоку на вихідній кромці РК. Як у випадку використання однолопатевого РК, так і у випадку використання двохлопатевого РК поблизу вхідної кромки на неробочій стороні лопаті спостерігається невелика вихрова зона. Причому на кромці однолопатевого РК вихор має більш яскраво виражений характер, ніж на двохлопатевому РК. Виникнення вихрової зони біля вхідної кромки досліджуваних РК можна пояснити наявністю великого кута атаки лопаті, що призводить до погіршення умов обтікання лопатей. На виході з колеса основна частина рідини надходить до відвідного патрубка корпусу насоса, тільки невелика її частина при цьому залишається усередині корпуса. У відвідному патрубку насоса біля стінки, що розміщена протилежно язику відводу, швидкість потоку набагато вища, ніж біля язику. При використанні однолопатевого РК перепад тиску у відводі насоса має більш виражений характер, ніж при використанні дволопатевого РК, що приводить до переміщення частини рідини з патрубку назад у корпус. У випадку використання двохлопатевого РК швидкості у відвідному патрубку будуть вище, ніж при використанні однолопатевого РК. Тому траєкторія руху рідини буде також відмінна - частина рідини, що має високу швидкість руху, спрямовується до стінки біля язика відводу, відбивається від неї, рухається до протилежної стінки, відбившись від якої вона повертається в корпус насоса.

Результати розрахунку з використанням пакету ANSYS CFX.

Отримана у результаті розрахунку в ANSYS CFX картина течії усередині проточної частини насоса з одно- та дволопатевими РК у багато чому подібна до результатів розрахунку течії рідини з використанням пакета FlowVision.

Як і у FlowVision, у ході поточного розрахунку біля вхідної кромки на тильному боці лопатей виявлена вихрова зона. Однак розміри та форма вихорів, що були отримані у розрахунках пакетів ANSYS CFX та FlowVision, відрізняються між собою. У випадку, коли розглядалося однолопатеве РК, при розрахунку у FlowVision вихрова зона мала менший розмір, ніж аналогічний вихор, що був отриманий в ANSYS CFX. Крім того, вихор у FlowVision розміщувався уздовж лопаті, тоді як в ANSYS CFX він трохи відхилявся до центра.

При розрахунку насоса з дволопатевими РК вихрова зона, яка була отримана в ANSYS CFX, мала більш великі розміри та більш витягнуту форму, ніж вихор, отриманий у FlowVision.

Крім того, виявлена зворотна течія рідини з напірного патрубка насоса назад у корпус. Добре видно, що у напірному патрубку насоса відбувається деяке звуження потоку через наявність зворотних токів біля стінок відвідного патрубка. Більш чітко таке звуження потоку проявляється при використанні однолопатевого РК. Невеликі вихрові зони виявлені біля язика відводу.

Також при використанні ANSYS CFX спостерігається різке зниження тиску на тильному боці вхідної кромки лопаті. У FlowVision такого зниження тиску виявлено не було.

У четвертому розділі розглянуті втрати енергії в насосі, який досліджувався, при його роботі на ГРС. Встановлено, що на втрати енергії в насосі, що перекачує газонасичені суспензії, впливає цілий ряд факторів, серед яких - величина об'ємної частки газової фази, розміри й форма пухирців, структура ГРС, властивості суміші, що перекачується, геометрія проточної частини і т. д.

Проведено оцінку об'ємних втрат енергії для даного конструктивного виконання проточної частини насоса. Установлено, що для даного випадку об'ємні втрати будуть настільки малими, що їхній вплив на загальний баланс енергії у розглянутому насосі буде несуттєвим. Тому в цьому випадку об'ємними втратами можна знехтувати.

Розглянуто механічні втрати енергії в насосі та їх вплив на загальну структуру втрат. Встановлено, що на зміну даного виду втрат енергії в умовах роботи насоса на ГРС, відносно перекачування чистої рідини, впливає тільки одна складова - втрати на дискове тертя.

Розглянуто вплив гідравлічних втрат енергії насоса, що перекачує газонасичені суспензії на загальний баланс енергій у насосі. Установлено, що зниження гідравлічного ККД насоса відбувається внаслідок збільшення його теоретичного напору, обумовленого зростанням газової фази.

Зроблено висновок, що на загальні втрати енергії розглянутого насоса, що перекачує ГРС, впливають тільки дві із трьох складових втрат - механічні та гідравлічні втрати. Причому основний вплив у цих умовах будуть робити гідравлічні втрати енергії.

На підставі експериментального дослідження зміни характеристик відцентрового насоса, при його роботі на ГРС, щодо його роботи на чистій рідині, був зроблений висновок про те, що існує залежність між основними характеристиками досліджуваного насоса та величиною об'ємного газовмісту. Виходячи з того, що визначення основних характеристик насоса, що працює на ГРС, чисто аналітичним шляхом являє собою складне завдання, було ухвалене рішення про використання напівемпіричних залежностей для перерахування зазначених параметрів із чистої рідини на ГРС.

Подачу насоса, що працює на ГРС, можна записати у такому вигляді:

, (1)

де - подача насоса на певному режимі його роботи на чистій рідині, м ³/год;

- коефіцієнт, що враховує наявність газової фази;

- витрата рідини, обмірювана в усмоктувальній лінії насоса, м ³/год.

Для перерахування напору насоса, що працює на ГРС, можна записати наступну залежність:

, (2)

де - напір насоса на певному режимі його роботи на чистій рідині, м;

- коефіцієнт, що враховує вплив ГРС на напір насоса;

- коефіцієнт, який враховує зміну щільності суміші, що перекачується;

- щільність рідини, кг/м ³;

- щільність газу, кг/м ³;

і - коефіцієнти, що визначаються за такими залежностями:

,

,

де , - діаметри усмоктувального та напірного трубопроводів, м;

- перепад тиску між виходом та входом у насос, Па.

Залежність повного ККД насоса при перекачуванні ГРС можна записати, використовуючи перерахунковий коефіцієнт, що враховує зміну гідравлічних і механічних втрат енергії:

, (3)

- коефіцієнт, що характеризує зміну механічних і гідравлічної складових втрат енергії;

- об'ємний ККД насоса при роботі на ГРС;

- гідравлічний ККД насоса при роботі на ГРС;

- механічний ККД насоса при роботі на ГРС;

- ККД насоса при роботі на чистій рідині.

Відповідно до теорії насособудування залежність для потужності насоса, що працює на ГРС можна записати у такому вигляді:

,

де - прискорення вільного падіння, м/с ²;

- ККД насоса, що працює на ГРС.

Підставивши в даний запис рівняння (1), (2), (3), отримаємо

.

Потужність насоса при роботі на чистій рідині для даного режиму роботи визначається залежністю

.

Тоді залежність для визначення потужності насоса, що працює на газонасичених сумішах, запишеться у такому вигляді:

.

Хочеться відзначити, що використання отриманих напівемпіричних залежностей при розрахунку робочих характеристик насоса може бути застосовано тільки для конкретного розглянутого конструктивного виконання його проточної частини.

Таким чином, отримана в цьому розділі загальна структура перерахункових коефіцієнтів, підтверджує необхідність створення методики перерахування основних параметрів насоса за допомогою використання напівемпіричних залежностей знаходження важко описуваних аналітично невідомих величин.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу створення рекомендацій щодо вибору найбільш оптимального насосного обладнання, що перекачує газонасичені суміші, для заданих умов роботи. Створено методику перерахування робочих характеристик відцентрового насоса з одно- та дволопатевими РК із води на ГРС. Структура перерахункових формул зазначених параметрів за даною методикою може бути застосовна тільки для даного конкретного конструктивного виконання проточних частин. Вирішення даних задач дозволяє знизити собівартість експлуатованих промислових гідравлічних мереж, до складу яких належить зазначене насосне обладнання.

За результатами виконаної роботи можна зробити ряд висновків:

- виконаний огляд літературних джерел показав, що насоси для перекачування ГРС є затребуваними в багатьох галузях промисловості. При цьому основною вимогою, пропонованою експлуатуючими таке насосне обладнання організаціями, є стійка робота насоса на ГРС із високою часткою газової фази;

- встановлено, що наявність вільного газу в суміші призводить до зниження параметрів насоса, що пов'язано з погіршенням умов обтікання його робочих органів, а також із виникненням втрат на міжфазове тертя;

- розглянуті варіанти різного конструктивного виконання насосів та їх проточних частин;

- установлено, що із усієї розмаїтості пропонованих конструкцій динамічних насосів, сфера застосування яких знаходиться в межах , найменш дослідженими є насоси, параметри яких знаходяться у діапазоні . Частково заповнити зазначений діапазон можна застосуванням відцентрових насосів з одно- та дволопатевими РК;

- встановлено, що для прогнозування основних характеристик насосів за допомогою методів чисельного моделювання пропонуються комерційні програмні продукти, використання яких дозволяє значною мірою скоротити витрати часу й коштів на проведення експерименту;

- проведене дослідження робочого процесу відцентрового насоса з одно- та дволопатевими РК в умовах перекачування ГРС;

- встановлено, що величина критичного об'ємного газовмісту для насоса з однолопатевим РК становить 50-52 %, із двохлопатевим - 32-34 %;

- виявлено явище зростання параметрів насоса на початковій стадії подачі газу. Причому при використанні однолопатевого РК дане явище спостерігається при більш високій об'ємній частці газової фази в суміші, ніж у випадку застосування двохлопатевого РК;

- проведено порівняння робочих процесів насосів з одно- та дволопатевими РК із насосами типу ВВН в умовах їх роботи на ГРС;

- встановлено, що насоси з одно- та дволопатевими РК, маючи практично однаковий рівень економічності, що й насоси типу ВВН, мають подібні протизривні якості й, у той самий час, використовуються при більш високих значеннях коефіцієнта швидкохідності;

- проведені дослідження з вивчення впливу пазух розглянутих РК на характеристики насоса, що працює на ГРС;

- встановлено, що істотний вплив на властивість стійкої роботи насоса чинить встановлення імпелерів на основному диску РК;

- ґрунтуючись на експериментальних даних, а також даних, отриманих у результаті літературного аналізу щодо роботи відцентрових насосів на ГРС, була запропонована характеристика з вибору оптимального насосного обладнання для заданих умов їх роботи;

- запропоновано рекомендації з вибору конструктивного виконання насосів, що перекачують ГРС, для різних діапазонів швидкохідності;

- проведено розрахунки течії чистої рідини для одно- та дволопатевих РК із використанням сучасних методів чисельного моделювання. Отримано картини течії всередині проточної частини насоса;

- встановлено, що на втрати енергії в насосі, що перекачує газонасичені суспензії, впливають цілий ряд факторів, серед яких - величина об'ємної частки газової фази, розміри й форма пухирців, структура ГРС, властивості суміші, що перекачується, геометрія проточної частини і т.д.;

- зроблений висновок, що на загальні втрати енергії розглянутого насоса, що перекачує ГРС, впливають тільки дві із трьох складових втрат - механічні та гідравлічні втрати. Причому основний вплив у цих умовах будуть робити гідравлічні втрати енергії;

- створена методика перерахування основних характеристик відцентрового насоса з одно- та дволопатевими РК із води на ГРС. Отримано основні коефіцієнти перерахування;

- отримані напівемпіричні залежності при розрахунку робочих характеристик насоса можуть бути застосовано тільки для конкретного розглянутого конструктивного виконання їх проточної частини;

- результати дисертаційної роботи впроваджені на промислових підприємствах м. Суми (ЗАТ "НВО "Гідромаш", ВАТ "ВНДІАЕН") і у навчальному процесі СумДУ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

1. Колисниченко Э.В., Сапожников С.В., Яхненко С.М. Программа и методика экспериментального исследования работы однолопастных насосных рабочих колес на газожидкостной смеси // Вестник НТУУ "КПИ": Машиностроение - 2002, вып. 42, т. 2. - с. 126-130.

2. Евтушенко А.А., Колисниченко Э.В. Исследование применения насосного оборудования различных конструктивных схем для перекачивания жидкостей с высоким газовым фактором. // Вестник СумГУ, №13 (59), 2003. - с. 199-203.

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

4. Евтушенко А.А., Колисниченко Э.В. Влияние геометрии проточной части однолопастных рабочих колес на характеристики центробежного насоса, работающего на газожидкостной смеси. // Всеукраїнський науково-технічний журнал "Промислова гідравліка і пневматика", №4 (6), 2004. - с. 44-46.

5. Евтушенко А.А., Колисниченко Э.В., Сапожников С.В. Турбомашины для перекачивания газожидкостных смесей // Вісник СумДУ, №13(72), 2004. - с. 45-49.

6. Колисниченко Э.В., Кочевский А.Н., Неня В.Г. Возможность и перспективы изучения рабочего процесса насосов, перекачивающих гидросмеси, с помощью данных расчетного эксперимента // Вісник СумДУ, №12(84), 2005. - с. 71-77.

7. Евтушенко А.А., Колисниченко Э.В. Влияние пазух одно- и двухлопастных рабочих колес на характеристики центробежного насоса, работающего на газожидкостной смеси // Всеукраїнський науково-технічний журнал "Промислова гідравліка і пневматика", №3(13), 2006. - с. 77-81.

8. Колисниченко Э.В. Перекачивание газожидкостных смесей центробежным насосом с двухлопастными рабочими колесами // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля, №12(106), 2006. - с. 247-250.

АНОТАЦІЯ

Колісніченко Е.В. Робочий процес динамічних насосів нетрадиційних конструктивних схем на газорідинних сумішах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. - Сумський державний університет, Суми, 2007 р.

У дисертаційній роботі подано результати дослідження робочого процесу динамічного насоса з одно- та дволопатевими робочими колесами, що працює на ГРС. Визначено вплив об'ємного газовмісту в суміші, що перекачується, на робочі характеристики досліджуваного насоса. Запропоновано рекомендації з вибору найбільш оптимальної проточної частини відцентрового насоса для заданих умов роботи. Також надані рекомендації з вибору оптимального насосного обладнання, що перекачує ГРС для різних діапазонів швидкохідності. Проведено дослідження впливу пазух одно- та дволопатевих коліс на характеристики насоса, що працює на ГРС. Проведено розрахунок течії рідини в проточній частині досліджуваного насоса з використанням сучасних методів чисельного моделювання. Розглянуто втрати енергії, що виникають при роботі динамічного насоса на ГРС. Запропоновано методику перерахування основних характеристик досліджуваного насоса з води на ГРС.

Ключові слова: динамічний насос, відцентровий насос, газорідинна суміш, стійка робота, зрив параметрів, робочий процес, одно- та дволопатеві робочі колеса.

АННОТАЦИЯ

Колисниченко Э.В. Рабочий процесс динамических насосов нетрадиционных конструктивных схем на газожидкостных смесях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. - Сумский государственный университет, Сумы, 2007.

В диссертационной работе представлены результаты исследования рабочего процесса динамического насоса с одно- и двухлопастными рабочими колесами, работающего на ГЖС. Определено влияние объемного газосодержания в перекачиваемой смеси на рабочие характеристики исследуемого насоса. Предложены рекомендации по выбору наиболее оптимальной проточной части центробежного насоса для заданных условий работы. Также предоставлены рекомендации по выбору оптимального насосного оборудования, перекачивающего ГЖС для разных диапазонов быстроходности. Проведено исследование влияния пазух одно- и двухлопастных колес на характеристики насоса, работающего на ГЖС. Проведен расчет течения жидкости в проточной части исследуемого насоса с использованием современных методов численного моделирования. Рассмотрены потери энергии, возникающие при работе динамического насоса на ГЖС. Предложена методика пересчета основных характеристик исследуемого насоса с воды на ГЖС.

Ключевые слова: динамический насос, газожидкостная смесь, устойчивая работа, срыв параметров, рабочий процесс, одно- и двухлопастные рабочие колеса.

SUMMARY

Kolisnichenko E.V. Working process of centrifugal pumps of non-traditional design for operation on gas-liquid mixtures. - The manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in specialty 05.05.17 - hydraulic machines and hydraulic and pneumatic units. - Sumy State University, Sumy, 2007.

The thesis presents the results of investigation of the working process of a centrifugal pump with single-blade and double-blade impellers treating gas-liquid mixtures. The influence of volume gas content in the mixture pumped on the performance curves of this pump was determined. The recommendations for design of the flow passages of the centrifugal pump were suggested that are most suitable for the given operation conditions. The recommendations on selection of the most suitable pump equipment for treating of gas-liquid mixtures in different ranges of specific speed were also suggested. The research on influence of cavities of single-blade and double-blade impellers on performance curves of the pump treating gas-liquid mixtures was conducted. The research of fluid flow in the flow passages of this pump was performed using the modern methods of numerical simulation. The energy losses occurring as the centrifugal pump treats the gas-liquid mixture were analyzed. A technique for recalculation of performance curves of the investigated pump from the water to the gas-liquid mixture was suggested.

Keywords: centrifugal pump, gas-liquid mixture, stable operation, derangement of parameters, working process, single-blade and double-blade impellers.

Размещено на Allbest.ru

...