Гідродинамічні особливості проектування змінних проточних частин при створенні уніфікованого ряду відцентрових насосів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сумський державний університет

УДК 621.65

05.05.17 - Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ГІДРОДИНАМІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ ЗМІННИХ ПРОТОЧНИХ ЧАСТИН ПРИ СТВОРЕННІ УНІФІКОВАНОГО РЯДУ ВІДЦЕНТРОВИХ НАСОСІВ

Лугова Світлана Олегівна

Суми - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у ВАТ «ВНДІАЕН», м. Суми Мінпромполітики України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Твердохліб Ігор Борисович, ТОВ «Управляюча компанія «Гідравлічні машини і системи», директор з НДОКР.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Ніколенко Ілля Вікторович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, зав. кафедри «Водопостачання, водовідведення та санітарна техніка»;

кандидат технічних наук Руденко Андрій Анатолійович, ЗАТ «НВО «Гідромаш»,заст. технічного директора з нової техніки та технології.

Захист відбудеться 23 жовтня 2009 р. о 1300 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 “ 22 ” вересня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Є.М. Савченко



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Насосне обладнання широко використовується практично в усіх галузях промисловості. Особливе значення має насосне обладнання, яке забезпечує надійне та безперебійне функціонування базових галузей: енергетики, металургії, нафтової та газової промисловості, агропромислового комплексу, водопостачання та комунального господарства. Частка енергії, споживаної насосами, за різними джерелами оцінюється від 15 до 20 % від усієї використовуваної в промисловості країни електроенергії.

У сучасних умовах замовник вимагає від виробника швидкого постачання будь-якого насосного обладнання. Якщо раніше термін від замовлення до постачання нового насосу тривав від одного року до трьох, то сучасний замовник вимагає забезпечити постачання нового насосу в термін від трьох до шести місяців. У таких умовах як ніколи стає актуальною задача блочно-модульного проектування насосного обладнання.

Оцінка життєвого циклу системи як засіб розрахунку енергоефективності обладнання містить у собі складові усіх витрат, які мають місце протягом всього «життя» обладнання - від придбання до утилізації. При використанні цього методу стає очевидним, що основна маса (близько 70 %) витрат стає не на капітальні, а на експлуатаційні вкладення. Більшу частину експлуатаційних вкладень складають енергоспоживання, а також витрати на ремонт та заміну обладнання.

На даний час використовуються різні технології інтенсифікації нафтовидобутку. Одним із таких засобів є закачка води в нафтові пласти для витіснення із них нафти. З цією метою на нафтових копалинах експлуатуються системи підтримки пластового тиску (ППТ). Великий насосний парк у нафтогазовидобувних установках (НГВУ) дає змогу вести закачку в широкому діапазоні як по об'єму, так і по тиску. Однак велика кількість насосів у різних варіантах виконання створює складність в організації ремонту, тому одним із важливих завдань є їх уніфікація, тобто зведення до мінімуму варіантів виконання. Крім того, термін служби корпусів насосів значно перевищує термін етапу експлуатації насосного агрегату в життєвому циклі скважини, і тому заміна насосів призводить до необґрунтованого збільшення витрат. У цьому випадку, застосування одного із засобів модернізації насосного обладнання, а саме, установлення змінної проточної частини, розрахованої на новий режим роботи, дозволяє підвищити ефективність роботи насосного агрегату.

Тема дослідження є актуальною, тому що застосування уніфікованого параметричного ряду насосів дозволить шляхом використання змінних проточних частин досягнути максимальної ефективності при експлуатації насосів у системах ППТ, а також у подібних технологічних системах, які потребують довгочасної зміни режиму експлуатації насосного обладнання. Вивчення гідродинамічних особливостей, які впливають на характеристики насосу, дозволить створювати багатоступеневі відцентрові насоси, укомплектовані мінімальною кількістю змінних проточних частин, здатних працювати в достатньо широкому діапазоні подач.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності до плану науково-дослідних робіт (НДР) ВАТ «ВНДІАЕН». Частина роботи, пов'язана з проведенням експериментальних робіт проводилася відповідно договору № 4345 від 12.10.02 р. на виготовлення запасних частин до насосів ЦНС 180 (номер державної реєстрації 0108U009816).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є створення уніфікованого параметричного ряду багатоступеневих відцентрових насосів з застосуванням мінімальної кількості проточних частин.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі задачі:

аналіз засобів зміни характеристики насосу та існуючих несистемних рішень по підвищенню ефективності роботи насосів на нерозрахункових режимах, систематизація та визначення основних критеріїв утворення уніфікованого параметричного ряду насосів зі змінними проточними частинами;

дослідження гідродинамічних особливостей робочого процесу в проточній частині проміжного ступеня відцентрового насосу та методів розрахунку. Дослідження особливостей робочого процесу на режимах, відмінних від оптимального. Розробка математичної моделі розподілу енергії та гідравлічних втрат в елементах проточної частини для оптимального режиму та для режимів, відмінних від оптимального;

чисельне дослідження течії в проточній частині проміжного ступеня відцентрового насосу; відцентровий насос гідравлічний енергія

розробка методики проектування змінних проточних частин та прогнозування характеристики проміжного ступеня відцентрового насосу швидкохідністю ns ? 90 зі змінною проточною частиною;

проведення фізичного дослідження для перевірки гіпотези математичної моделі гідравлічних втрат і розподілу енергії в проточній частині проміжного ступеня відцентрового насосу.

Об'єкт дослідження - робочий процес у проточній частині проміжного ступеня багатоступеневого відцентрового насосу.

Предмет дослідження - течія рідини в елементах напрямного апарату, гідродинамічна взаємодія потоку з каналами напрямного апарату. Уточнення методик проектування та прогнозування характеристики проміжного ступеня зі змінною проточною частиною.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувався метод статистичного аналізу, математичного моделювання розподілу енергії в проточній частині проміжного ступеня відцентрового насосу та складових гідравлічних втрат в елементах напрямного апарату в широкому діапазоні подач, а також метод чисельного моделювання та експериментальний метод.

Статистичний аналіз проводився з використанням матеріалів щодо дослідження та експериментального відпрацювання проточних частин у ВАТ «ВНДІАЕН», а також з використанням матеріалів дослідження в компресоробудуванні та ін.

Чисельне моделювання течії в каналах проточної частини проміжного ступеня проводилося за допомогою програмного продукту ANSYS CFX 11.0 з використанням комерційної ліцензії ТОВ «Управляюча компанія «Гідравлічні машини і системи». В основу даного програмного продукту покладено метод чисельного рішення системи рівнянь, які описують фундаментальні закони гідромеханіки: рівнянь руху в'язкої рідини разом з рівнянням нерозривності, що забезпечує обґрунтованність застосування даного методу при дослідженні течії в каналах проточної частини.

Фізичний експеримент як складова частина проведеного дослідження містив у собі тестування модельних проміжних ступенів зі змінними проточними частинами на експериментальному стенді ВАТ «ВНДІАЕН». Достовірність отриманих результатів забезпечувалася використанням загальноприйнятої в насособудуванні практики проведення фізичного дослідження, а також допустимою похибкою вимірів фізичних величин.

Наукова новизна отриманих результатів:

уперше в практиці вітчизняного насособудування показано, що оцінка ефективності використання динамічних насосів, які експлуатуються, повинна проводитися з урахуванням оцінки вартості всього життєвого циклу вказаного насосного обладнання;

доведено, що найбільшу економічну ефективність можливо отримати при модернізації діючого насосного обладнання шляхом застосування змінних проточних частин;

проведений аналіз гідродинамічних особливостей робочого процесу в проточній частині проміжного ступеня відцентрового багатоступеневого насосу, у результаті чого вперше запропонована й обґрунтована схема утворення уніфікованого параметричного ряду багатоступеневих відцентрових насосів зі змінними проточними частинами, що дозволяє мінімізувати кількість змінних елементів;

розроблена математична модель розподілу енергії в елементах проточної частини, що дозволяє на етапі проектування оцінити ефективність застосування змінної проточної частини;

досліджена структура течії в каналах напрямного апарату і уточнена фізична природа втрат у каналах напрямного апарату для різних режимів роботи, на основі чого вперше отримані залежності коефіцієнтів втрат в елементах напрямного апарату змінної проточної частини від геометричних параметрів для різних режимів роботи;

уперше виявлено наявність режиму, для якого має місце мінімум гідравлічних втрат у дифузорному каналі напрямного апарату.

Практичне значення отриманих результатів:

запропонований параметричний ряд відцентрових секційних багатоступеневих насосів типу ЦНС, який дозволяє осягнути широкий діапазон подач і напорів з мінімальною кількістю максимально уніфікованих змінних проточних частин;

запропоновані рекомендації до проектування змінних проточних частин, що дозволяє зменшити затрати на їх виготовлення шляхом зменшення кількості вихідних відливок, забезпечуючи при цьому максимально можливу економічність;

розширені можливості заміни фізичного експерименту чисельним розрахунком щодо проточних частин динамічних насосів;

доповнена методика прогнозування характеристики проміжного ступеня відцентрового насосу при немодельній зміні проточної частини, що дозволяє підвищити якість проектування;

результати дисертаційної роботи впроваджені на промислових підприємствах України (ВАТ «ВНДІАЕН», ВАТ «Сумський завод «Насосенергомаш», ВАТ «СМНВО ім. М.В. Фрунзе», НГВУ «Охтирканафтогаз» ВАТ «Укрнафта») і в учбовому процесі СумДУ, що підтверджується наведеними в дисертації актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. У написаних у співавторстві наукових публікаціях, що розкривають основні результати, отримані в процесі виконання дисертаційної роботи, здобувачу належать: [1] - аналіз методик оцінки подачі початку рециркуляції, [2] - аналіз і проектування змінних проточних частин насосу ЦНС 180, участь у тестуванні насосів зі змінними проточними частинами та отриманні їх характеристик, [3] - аналіз застосування змінних роторів для нафтових магістральних насосів з метою підвищення ефективності роботи на режимах малих подач, [4] - огляд результатів модернізації різних типів насосів шляхом внесення немодельних змін в проточну частину, [5] - визначення загальних питань аналізу конструкцій насосів та підходів до створення уніфікованого параметричного ряду насосів зі змінними проточними частинами, [6] - отримання результатів експериментальних досліджень проміжних ступенів зі змінними проточними частинами і формулювання гіпотези створення уніфікованого параметричного ряду насосів зі змінними проточними частинами, [7] - аналіз результатів, отриманих за допомогою чисельного розрахунку, картин течії та інтегральних показників ступеня з напрямним апаратом, [8] - аналіз течії в елементах проточної частини відцентрового насосу, проведений за допомогою розрахункового експерименту та визначення критеріїв переходу між змінними проточними частинами, [9] - участь в проектуванні проточної частини і проведенні чисельного експерименту, [10] - обґрунтування актуальності поставленої задачі шляхом оцінки вартості життєвого циклу.

В роботі [11], яка написана автором самостійно, розроблена математична модель складових гідравлічних втрат в елементах напрямного апарату.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на:

міжнародній науково-технічній конференції «Насосы. Проблемы и решения», яка проводилась у рамках міжнародної спеціалізованої виставці «Насосы - 2003» (м. Москва);

міжнародній науково-технічній конференції «Насосы. Эффективность и экология», яка проводилась в рамках міжнародної спеціалізованої виставці «Насосы - 2005» міжнародного форуму «Насосы. Компрессоры. Арматура» (м. Москва);

на V - VI науково-технічних конференціях «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Краматорськ, 2005, м. Київ, 2006, 2008);

на науково-технічних конференціях викладачів, співробітників, аспірантів і студентів СумДУ (щорічно з 2005 р. до 2007 р. включно);

на 12-й міжнародній науково-практичній конференції «Гервикон - 2008» (м. Перемишль, Польща, 9 - 12 вересня 2008 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 наукових робіт, із них 7 у спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАК України, а також тезиси 5 доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації - 147 сторінки, у тому числі 65 рисунків, із яких 1 на окремому аркуші, 7 таблиць, бібліографія із 103 джерел на 12 сторінках, 7 додатків на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проведення дослідження, спрямованого на створення уніфікованого параметричного ряду багатоступеневих відцентрових насосів із застосуванням мінімальної кількості змінних проточних частин. Сформульовані мета і задачі дослідження, наводиться загальна характеристика роботи.

У першому розділі викладені результати інформаційно-аналітичного огляду сучасного стану проблеми, пов'язаної з дослідженням гідродинамічних особливостей проектування змінних проточних частин при створенні уніфікованого ряду відцентрових насосів.

Існують технологічні схеми, які потребують зміни режимів експлуатації насосного обладнання на довгочасний період. До таких насосів можна віднести насоси для магістральних нафтопроводів, насоси для систем ППТ, сітьові насоси, та ін. Як правило, для даних типів насосів у період їх експлуатації має місце тенденція до зміни режимів роботи насоса по подачі. Напір насосів при цьому має залишатися незмінним.

Відомі засоби регулювання режимів роботи насосних агрегатів не дозволяють забезпечити вимоги, що ставить експлуатація. Регулювання режиму роботи насосного агрегату за допомогою зміни опору системи призводить до необґрунтованого збільшення експлуатаційних витрат користувача. Рівень економічності насосу ЦНС 180 на режимі Q = 90 м3/год сягає 58 %, на режимі Q = 63 м3/год - 46 %, на режимі Q = 45 м3/год - 35 %. Для порівняння, насоси ЦНС 90_1800 та ЦН 63_1800, які спроектовані на номінальні параметри та мають робочі органи з близькими значеннями коефіцієнтів швидкохідності і габаритних розмірів, мають економічність відповідно 60 % та 54 %. Окрім того, робота насосів на неоптимальних режимах супроводжується нестаціонарними процесами, які призводять до зниження надійності експлуатації насосного агрегату.

Регулювання роботи насосного агрегату шляхом зміни частоти обертів у даному випадку недоречно, і не може бути прийнятним, тому що зниження частоти обертів призведе до суттєвого зменшення величини тиску, який створює насос, що у даному випадку не відповідає вимогам експлуатації.

У даній ситуації єдиним рішенням може бути заміна насосних агрегатів на нові, розраховані на новий режим роботи, однак це призводить до значних експлуатаційних витрат.

Діаметри робочих коліс і, відповідно, радіальний габарит проточної частини при цьому змінюються незначно. Тому, замість установки нового насосу, можна запропонувати в корпусі насоса, який уже експлуатується, замінити проточну частину (робоче колесо (РК) і напрямний апарат (НА)) на змінну проточну частину, спроектовану на новий режим роботи.

Однією з важливих задач є уніфікація насосів зі змінними проточними частинами, зведення до мінімуму варіантів виконання. Особисте визначення уніфікації у даному випадку можливо сформулювати наступним чином: необхідне збільшення діапазону роботи насоса по подачі з однаковою величиною напору, яке забезпечується мінімальною кількістю змінних проточних частин.

У даному аспекті подібну уніфікацію можна розглядати як блочно-модульний підхід. Модульний принцип утворення параметричного ряду дозволяє отримати максимальний ефект розробнику, виробнику і користувачу насоса. Користувач отримує здатність легко комплектувати потрібну конфігурацію насосних систем із обмеженого числа вихідних насосних модулів, функціонально невиразних. Оптимізація параметричного ряду полягає в находженні сукупності продукції з такими значеннями параметрів, при яких задані потреби в продукції задовольняються з найменшими сумарними відносними витратами.

Подібні методи уніфікації проточної частини насосів у різний час були запропоновані різними закордонними фірмами, такими як KSB і THYSSEN RUHRPUMPEN, а також у свій час ВАТ «ВНДІАЕН» запропонував застосувати змінні ротори для нафтових магістральних насосів.

Вирішувати проблему створення уніфікованого параметричного ряду насосів зі змінними проточними частинами, мінімізувати їх кількість необхідно, базуючись на знанні гідродинамічних особливостей течії в проточній частині як на розрахункових, так і на не розрахункових режимах.

Течія в проточній частині лопатевої машини уявляє собою єдине ціле, її структура визначається не тільки формою та розмірами кожного елемента окремо, але і їх поєднанням. На режимах, близьких до розрахункового, у проточній частині мають місце умови для сталого руху потоку. Для цих режимів можливе розбиття потоку на ділянки, які відповідають конструктивним елементам: ділянка підводу, ділянка робочого колеса та ділянка відводу. В цих умовах можна окремо ставити задачі відповідно до руху потоку у підводі, РК або у відводі. Рішення таких розрізнених задач більш доступно математичному опису і аналізу. Дослідження режимів з нестаціонарною течією може здійснюватися в основному шляхом узагальнення експериментальних даних.

Окремий підрозділ присвячений огляду існуючих методів розрахунку течії в гідромашинах. Загальний випадок руху рідини описується рівняннями Нав'є - Стокса. Спочатку їх вирішення, через складність, було можливе лише із суттєвими припущеннями і спрощеннями. З розвитком обчислювальної техніки з'явились методи, у яких нехтувалося в'язкістю рідини, тобто рідина вважалась ідеальною, а її течія - потенційною. Широке розповсюдження одержав метод Раухмана Б.С., який дозволяв розраховувати швидкості і тиск на контурах профілів, які лежать на вісесиметричних поверхнях току, у 2-мірній постановці. У просторовій теорії течії у турбомашинах одними із найбільш відпрацьованих були канальні методи розрахунку, або моделі по типу дискретно розподільних вихорів. У наш час розроблено багато різноманітних методів розрахунку як у меридіанній, так і у радіальній площинах, а також спільний розрахунок, який реалізовано у так званому квазітримірному підході.

В останні десятиріччя кращі із розроблених методів моделювання і розрахунку течії рідини і газу в областях довільної геометричної форми, у тому числі і в проточних частинах гідромашин, були реалізовані у вигляді комерційних програмних продуктів, які отримали широке розповсюдження.

Вивченню та узагальненню знань про структуру реальної течії в проточній частині лопатевих машин присвячено багато робіт як в насособудуванні, так і в компресоробудуванні. Серед робіт, присвячених засобам зміни режимів роботи відцентрового насосу шляхом внесення немодельних змін в проточну частину і методам розрахунку, слід відзначити роботи В.Г. Іванова, Ф.О. Богніцкой, Е.Г. Стеценко, О.І. Бірюкова, М.М. Кочевського, зарубіжних авторів Shyam V. Saxena, G. Feldle та ін.

Огляд і аналіз інформаційних джерел, враховуючи їх велику кількість, показав значний інтерес до проблеми вивчення роботи насосів на неоптимальних режимах і до проблеми зміни режиму роботи насосу. Але також показав, що в кожному конкретному випадку вирішується своя окрема задача, висновки і математичні моделі є емпіричними та полуемпіричними, отриманими для конкретних вихідних даних, і не завжди дають адекватні результати при застосуванні їх до інших вихідних даних.

У другому розділі формулюються мета дослідження і задачі, які вирішувалися для її досягнення. Описані методи і засоби проведення дослідження.

В якості об'єкту дослідження обраний робочий процес у проточній частині проміжного ступеня відцентрового насосу середньої швидкохідності (рис. 1), який складається із робочого колеса (РК) і напрямного апарату (НА).

Проведений аналіз існуючих на даний момент методів досліджень дозволив визначити в якості методів дослідження статистичний аналіз, чисельний і фізичний експерименти. Статистичний аналіз дозволив визначити найбільш значимі критерії, які впливають на зміну характеристики і втрати у проточній частині. Чисельне дослідження дозволило визначити залежності для означених критеріїв. Для перевірки та обґрунтування адекватності отриманих результатів із використанням перших двох методів проводилось експериментальне дослідження інтегральних характеристик проміжного ступеня на експериментальному стенді і порівняння інтегральних характеристик, отриманих при фізичному і чисельному експериментах.

Оскільки при проходженні рідини крізь канали НА має місце переутворення і перерозподіл величин кожної із форм енергії рідини, то в якості моделі робочого процесу у НА може бути обрана модель розподілу енергії. Для математичного опису цієї моделі повинен бути складений баланс енергії у ступені на режимі, відповідному до максимального значення коефіцієнта корисної дії (ККД). При цьому повинно бути враховано, що розподіл швидкостей і їх компонент в проточній частині не є рівномірним, і застосовувати для усього потоку загальні принципи осереднення його параметрів. На основі загальних рівнянь динаміки рідини необхідно визначити складові втрат енергії в різних елементах і здійснити коректний підхід до їх розподілу.

Рис. 1. Проточна частина досліджуваного ступеня

У третьому розділі наведений аналіз статистичного огляду, описані методики проведення чисельного і фізичного експериментів, а також наведені отримані результати.

Чисельне дослідження структури потоку в змінних проточних частинах для різних режимів роботи ступеня проводилося за допомогою ліцензійного ПП ANSYS CFX 11.0, на базі ТОВ «Управляюча компанія «Гідравлічні машини і системи» у рамках укладеного договору із ВАТ «ВНДІАЕН» на виконання чисельного дослідження течії в проточній частині відцентрового насосу. Цикл розрахункових досліджень, які проводилися у ВАТ «ВНДІАЕН» із застосуванням вищевказаного ПП, зокрема для розрахунку течії у проточній частині РК, для якого О.І. Тимшиним було проведено зондування потоку на виході, показав, що даний ПП може успішно використовуватися для вирішення задач насособудування.

Чисельне дослідження проводилося для семи ступенів в діапазоні швидкохідності ns = 40ч90. Розрахункова область включала два ступеня, які складалися із одного каналу РК і одного каналу НА (рис. 2). Перший ступінь моделювався для того, щоб забезпечити на вході у РК проміжного ступеня структуру потоку, яка формується обратними лопатками НА. При чисельному дослідженні не моделювалися пазухи й ущільнення РК.

Рис. 2. Розрахункова область при виконанні чисельного експерименту

Розрахунок течії проводився в стаціонарній постановці. Густина робочої рідини була прийнята сталою, режим течії - турбулентний. Для замкнення системи рівнянь Рейнольдса використовувалась стандартна k-е модель турбулентності. У якості граничних умов були задані: на вході - масова витрата, на виході - статичний тиск, на всіх твердих поверхнях - умова дорівнювання швидкості нулю (умова прилипання). Статорні і роторні елементи вважалися зафіксованими відповідно один до одного, осереднення на поверхні інтерфейсу не виконувалося, що дозволяло моделювати дію сліду від лопаті одного елемента на течію у міжлопатевому каналі наступного елемента.

Розрахунок проводився для шести режимів роботи ступеня. У результаті чисельного дослідження для всіх ступенів отримані величини швидкостей и тиску для кожної комірки розрахункової сітки. Для визначення інтегральних величин проводилося осереднення по масовій витраті.

Експериментальне дослідження ступенів проводилося на експериментальному стенді ВАТ «ВНДІАЕН», який працює по замкненій схемі циркуляції рідини.

Методика проведення тестування відповідала ГОСТ 6134_87 «Насосы динамические. Методы испытаний». Конструкція стенду дозволяла отримати інтегральні напірні та енергетичні характеристики досліджуваних ступенів за одноступеневою схемою. Для отримання реальної структури потоку на вході у РК, перед ним встановлювався НА проміжного ступеня. Проведений розрахунок похибок результатів тестування свідчить, що контрольно-вимірювальні прилади і методика тестування забезпечували необхідну точність проведення фізичного експерименту. Для проведення тестування на експериментальному стенді (фізичний експеримент) були запроектовані й виготовлені варіанти РК и НА. Основні геометричні розміри і співвідношення наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Основні параметри и геометричні співвідношення ступенів, протестованих на експериментальному стенді

№ ступеня	ns	a3 x b3	Zрк	Zна	F4/F3	(Kc)опт
1	53,6	15,6 х 14	7	6	1,91	1,10
2	50,9	11,5 х 14	7	6	2,42	0,89
3	44,3	8,0 х 14	7	6	2,69	0,79
4	42,8	6,0 х 14	7	6	3,62	0,65

За результатами тестування отримані інтегральні характеристики ступенів. Ступені № 1, 2 і 3, які відповідають режимам 0,5Qном, 0,33Qном і 0,25Qном, показали задовільний результат. Але при подальшому звуженні каналів НА, яке було виконано для ступеня № 4, не було отримано задовільного результату (рис. 3). ККД ступеня виявився нижчим за ККД ступеня № 3. Це засвідчує той факт, що існує мінімальна межа при формуванні уніфікованого параметричного ряду насосів.



Рис. 3. Інтегральні характеристики досліджених ступенів, отриманих за результатами тестувань на експериментальному стенді

У четвертому розділі наведена розроблена на основі результатів дослідження математична модель втрат енергії в елементах НА і методика прогнозування характеристики ступеня зі змінною проточною частиною.

Аналіз інформаційного огляду матеріалів дослідження різних авторів показав, що в якості критерію для переходу між елементами змінних проточних частин можна запропонувати величину критичної подачі для входу в РК () і для виходу із РК ().

Величина визначає наявність змін у структурі потоку на вході у РК, і визначається падінням ККД РК при збільшенні коефіцієнта вхідного отвору РК () до , внаслідок зміни режиму роботи ступеня в бік зменшення (рис. 4, 5). Аналіз чисельного дослідження показав, що для РК коефіцієнту швидкохідності від 40 до 90 значення величини критичної подачі на вході у РК знаходиться у діапазоні від 0,5Qопт до 0,7Qопт.

Застосувавши поняття коефіцієнта критичної подачі , виходячи із рівняння витратної складової швидкості на вході у РК, може бути визначений діаметр вхідного отвору для змінного РК.



Рис. 4. Зміна ККД РК відповідно до зміни режиму роботи ступеня

Рис. 5. Зміна ККД РК відповідно до зміни коефіцієнту вхідного отвору РК

Величина визначає наявність зміни структури потоку на виході із РК і на вході у НА, і визначається падінням ККД ступеня приблизно на 5 % (). Значення величини критичної подачі на виході із РК можна визначити як . Параметри, які впливають на величину - зміна кута атаки на вході у НА і зміна коефіцієнту пропускної спроможності НА (рис. 6, 7).

Рис. 6. Зміна кута атаки на вході в НА відповідно до зміни режиму роботи ступеня



Рис. 7. Зміна коефіцієнту пропускної спроможності НА відповідно до зміни режиму роботи ступеня

Таким чином, аналіз інформаційного огляду й результатів дослідження дозволив запропонувати схему утворення параметричного ряду багатоступеневих відцентрових насосів зі змінними проточними частинами (рис. 8).

Рис. 8. Ілюстрація підходу до створення параметричного ряду багатоступеневих відцентрових насосів зі змінними проточними частинами

За результатами чисельного експерименту шляхом осереднення тиску по масовій витраті в граничних перерізах визначались втрати енергії в елементах НА: початковій ділянці (косий зріз), діфузорному каналі, переводному каналі і зворотньому каналі для різних режимів роботи ступеня.

Втрати для кожної ділянки визначались як

, (1)

де ндекси i и j - відносяться до входу і виходу кожної ділянки відповідно;

G - масова витрата через переріз;

p - повний тиск, визначений в перерізі.

На рис. 9 наведені залежності втрат напору в елементах НА ступеня зі змінною проточною частиною від режиму роботи ступеня.

Основну частку втрат напору у НА складають втрати у спіральній ділянці і переводному каналі. Втрати у спіральній ділянці різко зростають зі зменшенням подачі. У переводному і зворотньому каналах втрати зростають зі зростанням подачі, а втрати у дифузорному каналі мають яскраво виражений мінімум.

Рис. 9. Залежність втрат напору в елементах НА ступеня зі змінною проточною частиною від режиму роботи ступеня

Загалом для кожної ділянки НА втрати напору можна надати у вигляді залежності

, (2)

де ж - коефіцієнт втрат напору для даної ділянки;

V - швидкість течії рідини для даної ділянки.

Для кожної ділянки НА були отримані залежності коефіцієнтів гідравлічних втрат напору від геометричних параметрів і режиму роботи ступеня.

Коефіцієнт втрат напору в спіральній ділянці:



(3)

де Кс - коефіцієнт косого зрізу.

Коефіцієнт втрат напору в дифузорному каналі:

(4)

Складова (ждиф)min визначає величину мінімального коефіцієнту втрат у дифузорному каналі, яка має місце для певного режиму і яка залежить від геометричних розмірів НА:

(5)

Величина (Kc)min - характеризує режим роботи з мінімальними втратами у дифузорному каналі і залежить від коефіцієнта швидкохідності:

(6)

Коефіцієнт втрат напору у переводному каналі:

(7)

Перша складова характеризує втрати по довжині переводного каналу, а друга - втрати на раптове розширення.

Коефіцієнт втрат напору в зворотніх каналах:



(8)

де (V0)опт - швидкість на вході в РК для оптимального режиму.

Для ступеня зі змінною проточною частиною на подачу Q = 0,5Qопт була спрогнозована характеристика. Даний ступінь також був протестований на експериментальному стенді ВАТ «ВНДІАЕН». На рис. 10 наведені порівняльні характеристики, які були отримані за результатами розрахунку і за результатами тестувань на експериментальному стенді. Порівняльний аналіз показує задовільний збіг характеристик. Для розрахункового режиму розбіжність величини напору склало 2 %. Дана величина знаходиться у межах виробничого допуску на напір для насосів типу ЦНС. У робочому інтервалі подач розбіжність результатів не перевищує 5 %.

Рис. 10. Порівняльні характеристики ступеня, які були отримані за результатами розрахунку і за результатами тестувань на експериментальному стенді (лінії - тестування, точки - розрахунок)

За результатами роботи був утворений уніфікований параметричний ряд багатоступеневих відцентрових насосів зі змінними проточними частинами, який охоплює широкий діапазон подач.

Поле роботи Q-H насосу зі змінними проточними частинами на прикладі насосу ЦНС 180 наведено на рис. 11. Воно перекриває діапазон подач від 30 м3/год до 250 м3/год. Напори визначаються кількістю ступенів насоса.

Рис. 11. Поле Q-H насосів зі змінними проточними частинами

Насоси зі змінними проточними частинами ЦНС 90, ЦНС 63 і ЦНС 45 були виготовлені й протестовані на стенді натурних тестувань ВАТ «ВНДІАЕН».

За результатами тестувань для даних насосів отриманий рівень економічності, який збігається із рівнем економічності насосів-аналогів, спеціально спроектованих на задані параметри. Окрім того, для насосів зі змінними проточними частинами отримано зниження рівнів вібрації по відношенню до рівнів, які має насос ЦНС 180 при роботі на нерозрахункових режимах.

Результати тестувань насосів зі змінними проточними частинами і оцінка економічного ефекту від їх впровадження наведені в таблиці 2.

Таблиця 2 - Показники ефективності впровадження змінних проточних частин

Насос	Подача, м3/год	Напір, м	ККД, %	Середньо квадратичне значення віброшвидкості, мм/с	Зниження енерговикористання, кВт/год	Економічний ефект, тис. грн.
ЦНС 180	180	1900	76	4,0	-	-
ЦНС 180/90	90	1900	64	3,9	130	250
ЦНС 180/63	63	1900	58	3,8	180	350
ЦНС 180/45	45	1900	48	3,8	220	430

Враховуючи вищенаведене, можна подати оцінку ефективності впровадження насосів зі змінними проточними частинами у вигляді схеми, наведеної на рис. 12. При неефективному використанні насосного агрегату, починає зростати вартість життєвого циклу системи. Заміна проточної частини на змінну дозволяє зекономити витрати на придбання нового насосу, а також дозволяє припинити зростання вартості життєвого циклу при неефективній експлуатації.

1 - Період нормальної і рентабельної експлуатації; 2 - Зростання експлуатаційних витрат за рахунок неефективного використання; 3 - Витрати на придбання нового насосу; 4 - Зменшення вартості життєвого циклу за рахунок застосування змінних проточних частин.

Рис. 12. Оцінка вартості життєвого циклу системи ППТ



ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної задачі - створенню уніфікованого параметричного ряду відцентрових насосів, які комплектуються мінімальною кількістю змінних проточних частин, виконаному з урахуванням гідродинамічних особливостей течії в елементах проточної частини. Основні результати і висновки по даній роботі такі:

В сучасних умовах велика увага приділяється використанню енергозберігаючих технологій, а насосне обладнання є одним із найбільш енергоємних видів обладнання, тому ефективності його використання слід приділяти особливу увагу. Показано, що при нинішньому стані динамічних насосів, питання про їх ефективне використання необхідно вирішувати у світлі оцінки вартості життєвого циклу. Огляд інформації показав, що існує достатньо велика кількість засобів, що дозволяють змінювати режими роботи відцентрових насосів, але для технологічних схем, які потребують періодичної довгочасної зміни режимів роботи, найбільш ефективним і економічно обґрунтованим засобом є використання змінних проточних частин.

На основі проведеного аналізу гідродинамічних особливостей робочого процесу в проточній частині проміжного ступеня багатоступеневого відцентрового насосу запропонована і обґрунтована схема утворення уніфікованого параметричного ряду насосів зі змінними проточними частинами, що дозволяє мінімізувати кількість змінних елементів.

Розроблена математична модель розподілу енергії в елементах проточної частини. З використанням чисельного експерименту досліджена структура течії, а також фізична природа гідравлічних втрат в каналах НА для різних режимів роботи ступеня, на основі чого вперше отримані залежності коефіцієнтів гідравлічних втрат в елементах НА змінних проточних частин від геометричних параметрів для різних режимів роботи ступеня. Виявлено наявність режиму по подачі, при якому має місце мінімум гідравлічних втрат у дифузорному каналі НА.

Розроблені рекомендації до проектування змінних проточних частин і уточнена методика визначення критичного значення подачі початку рециркуляції на вході і виході РК. Запропонована методика прогнозування характеристики проміжного ступеня зі змінною проточною частиною, яка доповнена математичною моделлю гідравлічних втрат в елементах НА. Порівняння характеристик ступеня зі змінною проточною частиною, отриманих за результатами тестування і за результатами розрахунку, показало задовільний збіг. У робочому інтервалі подач розбіжність результатів не перевищує 5 %.

Розроблений параметричний ряд відцентрових секційних багатоступеневих насосів типу ЦНС, який охоплює широкий діапазон подач і напорів з мінімальною кількістю максимально уніфікованих змінних проточних частин. Рівень економічності для розрахункових режимів відповідає рівню економічності насосів-аналогів, які спеціально спроектовані на дані параметри.



CПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

1. Иванюшин А.А., Луговая С.О. Оценка подачи начала рециркуляции. Гидравлические машины. - Харьков: ХПИ, 1992 г. - № 26. - С. 124 - 126.

2. Иванюшин А.А., Луговая С.О., Твердохлеб И.Б. Создание сменных проточных частей насосов типа ЦНС. Ж. «Насосы & Оборудование». - К.: 2003 г. - № 2. - С. 31 - 33.

3. Иванюшин А.А., Куценко В.А., Луговая С.О. Решение некоторых проблем, возникающих при работе нефтяных магистральных насосов на нерасчетных режимах. Ж. «Химическое и нефтегазовое машиностроение». - М.: 2004 г. - № 2. - С. 25 - 31.

4. Луговая С.О., Твердохлеб И.Б. Повышение эффективности работы насосов на нерасчетных режимах. Ж. «Насосы & Оборудование». - К.: 2004 г. - № 2. - С. 26 - 27.

5. Ковалев И.А., Луговая С.О., Твердохлеб И.Б. Использование сменных проточных частей в центробежных насосах. Вісник СумДУ. - Суми: СумДУ, 2005 р. - № 12 (84). - С. 113 - 117. - (Технічні науки).

6. Луговая С.О., Ольштынский П.Л., Твердохлеб И.Б. Проблема определения диапазона применимости насоса со сменными элементами проточной части. Всеукраїнський науково-технічний журнал Промислова гідравліка і пневматика. - Вінниця: Вид-во ВДАУ, 2006 р. - № 4 (14). - С. 87 - 90.

7. Евтушенко А.О., Луговая С.О., Неня А.В. Оптимизация геометрии проточной части насосной ступени с использованием результатов расчетного эксперимента. Вестник Восточноукранского национального университета им. В.Даля. - Луганск, 2007 г. - №3 (109), ч.2. - С.174 - 180.

8. Луговая С.О., Ольштынский П.Л., Твердохлеб И.Б. Поиск способов изменения рабочей характеристики многоступенчатых насосов: а) с целью смещения местоположения оптимума по подаче; б) с целью улучшения формы напорной характеристики. Вісник Національного технічного університету України «КПІ», К.: НТУУ «КПИ». - 2008 г. - № 54. - С. 279 - 288.

9. С.О. Луговая, А.В. Неня, И.Б. Твердохлеб Расчет усовершенствованных направляющих аппаратов многоступенчатых лопастных насосов. Всеукраїнський науково - технічний журнал Промислова гідравліка та пневматика. - Вінниця: Вид-во ВДАУ, 2008 р. - №2 (20). - С. 36 - 40.

10. Луговая С.О., Ольштынский П.Л. Об экономической эффективности использования насосного агрегата на протяжении его жизненного цикла. Труды 12-ой международной конференции «Гервикон-2008». - Kielce: Politechnika Swietokrzyska, 2008. - Volume II. - С. 359 - 364.

11. Луговая С.О. Прогнозирование характеристики насоса со сменной проточной частью. Вісник СумДУ. - Суми: СумДУ, 2009 р. - № 1. - С. 49 - 60. - (Технічні науки).



АНОТАЦІЯ

Лугова С.О. «Гідродинамічні особливості проектування змінних проточних частин при створенні уніфікованого ряду відцентрових насосів». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. - Сумський Державний університет, Суми, 2009 р.

У дисертаційній роботі наведені результати дослідження робочого процесу у проточній частині проміжного ступеня багатоступеневого відцентрового насосу. З урахуванням гідродинамічних особливостей робочого процесу систематизований підхід до модернізації насосного обладнання шляхом застосування змінних проточних частин. Обґрунтована схема утворення уніфікованого параметричного ряду насосів зі змінними проточними частинами, що дозволяє мінімізувати кількість змінних елементів. Основним змістом роботи є аналіз зміни структури течії та фізичної природи гідравлічних втрат у проточній частині проміжного ступеня відцентрового багатоступеневого насосу. Визначені критерії переходу між змінними проточними частинами, та запропонована схема утворення параметричного ряду насосів зі змінними проточними частинами. На основі аналізу чисельного дослідження робочого процесу проточної частини проміжного ступеня відцентрового насосу запропоновано математичну модель гідравлічних втрат у напрямному апараті, та з її урахуванням уточнена математична модель розподілу енергії в елементах проміжного ступеня відцентрового насосу. Їз застосуванням розроблених математичних моделей запропонована методика прогнозування характеристики проміжного ступеня відцентрового насосу зі змінною проточною частиною. Ключові слова: відцентровий насос, змінна проточна частина, робоче колесо, напрямний апарат, математична модель втрат, енергетичні характеристики, ефективність.

АННОТАЦИЯ

Луговая С.О. «Гидродинамические особенности проектирования сменных проточных частей при создании унифицированного ряда центробежных насосов». - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. - Сумский Государственный университет, Сумы, 2009 г.

В диссертационной работе представлены результаты исследования рабочего процесса в проточной части промежуточной ступени многоступенчатого центробежного насоса. С учетом гидродинамических особенностей рабочего процесса систематизирован подход к модернизации насосного оборудования путем применения сменных проточных частей. Обоснована схема создания унифицированного ряда насосов со сменными проточными частями, что позволяет минимизировать количество сменных элементов.

Основным содержанием работы является анализ изменения структуры течения и физической природы гидравлических потерь в проточной части промежуточной ступени центробежного многоступенчатого насоса. Определены критерии перехода между сменными проточными частями и предложена схема создания унифицированного параметрического ряда насосов со сменными проточными частями.

При выполнении работы применялись методы исследования: статистический анализ, метод численного моделирования течения в каналах проточной части и физический эксперимент. Численное моделирование проводилось с использованием программного продукта ANSYS CFX 11.0.

На основании анализа численного исследования рабочего процесса в проточной части промежуточной ступени центробежного насоса предложена математическая модель гидравлических потерь в элементах направляющего аппарата, и с ее использованием уточнена математическая модель распределения энергии в элементах промежуточной ступени центробежного насоса. С применением разработанных математических моделей предложена методика прогнозирования характеристики промежуточной ступени центробежного насоса со сменной проточной частью.

Ключевые слова: центробежный насос, сменная проточная часть, рабочее колесо, направляющий аппарат, математическая модель потерь, энергетические характеристики, эффективность.



SUMMARY

S.O. Lugova “Hydrodynamic Features of Designing Replaceable Flow Parts during Development of Unified Series of Centrifugal Pumps”. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.05.17 - Hydraulic Machines and Hydroulic and Pneumatic Units. - Sumy State University, Sumy, 2009.

The thesis work presents the research results of working process in the flow part of multistage centrifugal pump. The approach to pumping equipment modernization has been systematized by using replaceable flow part with the allowance for hydrodynamic features of the working process.

A diagram has been substantiated for development of unified series of pumps with replaceable flow parts which permits to minimize the number of replaceable components.

Analysis of variation of flow structure and physical nature of hydraulic losses in the flow part of multistage centrifugal pump intermediate stage is the basic content of the work. Transition criteria between the replaceable flow parts have been determined and a diagram for development of dimensional series of pumps with replaceable flow parts is proposed. Based on numerical study analysis of the working process in the flow part of centrifugal pump intermediate stage, a mathematical model of hydraulic losses in diffuser components is proposed and along with its application a mathematical model is defined more precisely for power distribution in the components of centrifugal pump intermediate stage.

Key words: centrifugal pump, replaceable flow part, impeller, diffuser, mathematical model of losses, power characteristics, efficiency.

Размещено на Allbest.ru

...