Особливості робочого процесу відцентрових насосів з середньорозмірним робочим колесом плаваючого типу - Автореферат

Пошук рішення даної задачі призвів до створення схеми насосної ступені зі середньорозмірним плаваючим робочим колесом (РК). Завдяки використанню такої конструктивної схеми, зокрема, перестає бути необхідністю застосування в насосах енергоємних гідравлічних розвантажувальних пристроїв. Малий діаметр РК зумовлює малий (Н = 3…6 м) напір ступені, і, відповідно, малу осьову силу, що діє на колесо. При цьому кількість ступенів обмежується необхідними мінімальними осьовими габаритами насоса, тобто вибір кількості ступенів - розумний компроміс між ns і ККД; 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 високовязких 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”.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. Завдяки використанню в ГНС таких проточних частин дане насосне обладнання має прийнятні показники економічності, однак, виникає істотний недолік - великі осьові габарити (l = 10…15 м). 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. 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. 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;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. Поряд з цим, закордонні зразки насосного обладнання динамічного типу на такі параметри, хоч і мають прийнятну економічність, мають складну конструкцію і великі масогабаритні показники. 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.

Основний зміст роботи

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 обємні 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 обєкта 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/tcpi4, 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.