Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2
СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Каплун Ігор Петрович
УДК 621.662-592.2
ВДОСКОНАЛЕННЯ ФОРМИ НАПІРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЛОГАБАРИТНОЇ
НАСОСНОЇ СТУПЕНІ ШНЕКОВОГО ТИПУ
05.05.17 - гiдравлiчнi машини та гiдропневмоагрегати
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Суми - 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Сумському державному університеті
Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор
Євтушенко Анатолій Олександрович,
Сумський державний університет,
зав. кафедри прикладної гідроаеромеханіки.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Гнесін Віталій Ісайович,
нститут проблем машинобудування НАН Украни,
зав. відділу аерогідромеханіки;
кандидат технічних наук, доцент
Дранковський Віктор Едуардович,
Національний технічний університет України
”Харківський політехнічний інститут”,
доцент кафедри гідромашин.
Провідна установа - Національний технічний університет
”Київський політехнічний інститут”
Захист відбудеться 31 травня 2007 р. о 12годині 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 “27” квітня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Савченко Є.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У зв’язку зі зростанням попиту на нафту спостерігається інтенсифікація її видобутку у переважній більшості нафтоносних регіонів світу. У найближчому до України великому нафтовидобувному регіоні –Російській Федерації, де за 2006 рік видобуто 480 млн т нафти, до 90 % продуктивних свердловин експлуатуються з використанням систем підтримки пластового тиску (ППТ). Суть ППТ полягає у закачуванні в продуктивний пласт витісняючого агента за певними схемами. В основному використовується мінералізована вода підземних джерел у зв’язку з високою ефективністю її застосування. За статистикою для видобутку 1 т нафти необхідно закачати в продуктивний пласт у різних випадках від 5 до 9 м води. Для підйому останньої найчастіше використовуються свердловини з умовними габаритами 5, 5А та 6 з внутрішніми діаметрами обсадних труб відповідно 121,7, 130 та 144,1 мм. З огляду на вищенаведені об’єми видобутку очевидною є значна потреба нафтогазового комплексу у високовитратному занурюваному насосному обладнанні для свердловин малого діаметра (менше 150 мм), яке дало б змогу використовувати меншу кількість насосів у свердловинах меншого діаметра при збереженні об’ємів видобутку, забезпечуючи тим самим значний економічний ефект.
На даний час для підйому пластової води широко застосовуються установки типу УЭЦН, укомплектовані насосами з відцентровими та діагональними ступенями. Останні в умовах обмежених радіальних габаритів і необхідності забезпечення високих подач мають значні осьові розміри та лопатеві системи складної форми. Масове виробництво таких ступеней досить складне, а в деяких випадках і технологічно неможливе, тому їх максимальні подачі обмежені. Перехід до суттєво вищих значень подач при збереженні радіальних габаритів може забезпечити лише використання осьових ступеней, зокрема й створених на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки Сумського державного університету (СумДУ) малогабаритних ступеней шнекового типу, які мають ряд переваг порівняно з відцентровими (висока технологічність, зменшені осьові розміри та ін). Основним фактором, який стримує широке застосування названих ступеней, є незадовільна форма їх напірної характеристики, яка має розрив і ділянку нестабільності, що при пологій або змінній характеристиці мережі може призвести до появи різких коливань подачі та тиску і спричинити поломку насоса або розрив трубопроводів. Усунення западаючої ділянки на напірній характеристиці досліджуваної ступені дозволить, з одного боку, розширити її робочий діапазон, а з іншого –створить передумови для розроблення типорозмірного ряду свердловинних насосів на її основі.
Таким чином, задача вдосконалення форми напірної характеристики малогабаритної насосної ступені шнекового типу є актуальною і практично значущою.
Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності до плану науково-дослідних робіт (НДР) кафедри прикладної гідроаеромеханіки СумДУ. Основні наукові розробки реалізовано при виконанні держбюджетної НДР за темою 80.01.05.03-05 д/б „Наукові основи технічного забезпечення енергозберігаючих технологій у гідропневмосистемах” (замовник –Міністерство освіти і науки України, номер державної реєстрації 0103U000769).
Мета і задачі дослідження. Мета роботи - вдосконалення форми напірної характеристики малогабаритної насосної ступені шнекового типу та розроблення науково-методичних рекомендацій щодо її проектування.
Для досягнення поставленої мети сформульовані такі задачі:
Об’єкт дослідження - робочий процес малогабаритної ступені шнекового типу у складі багатоступеневого свердловинного насоса.
Предмет дослідження - формування стабільної напірної характеристики малогабаритної насосної ступені шнекового типу під впливом зміни геометричних параметрів її проточної частини.
Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувалися метод чисельного моделювання та експериментальний метод.
Чисельне моделювання течії в каналах малогабаритної ступені шнекового типу проводилося за допомогою університетської версії програмного комплексу ANSYS CFX (http://www.ansys.com/products/cfx) з обмеженим терміном дії, наданого в пробну експлуатацію ВАТ “ТЕСІС” (м. Москва).
Фізичний експеримент, як складова частина проведеного дослідження, передбачав випробування малогабаритної ступені шнекового типу на експериментальному стенді. Достовірність отриманих експериментальних даних забезпечувалася використанням загальновизнаної в практиці насособудування методики проведення відповідних випробувань, а також допустимою похибкою виміру фізичних параметрів.
Наукова новизна отриманих результатів:
Практичне значення отриманих результатів:
Особистий внесок здобувача. У написаних у співавторстві наукових публікаціях, що розкривають основні результати, отримані в процесі виконання дисертаційної роботи, здобувачу належать: [1] –обґрунтування можливості застосування радіального імпелера для зміни форми напірної характеристики малогабаритних ступеней шнекового типу; [2] –добір даних та отримання прогнозних ліній оптимальної потужності занурюваних багатоступеневих свердловинних насосів, укомплектованих малогабаритними ступенями шнекового типу; [3] –підготовка та проведення експериментального дослідження, обробка та аналіз результатів; [4] –обґрунтування доцільності та проведення дослідження, спрямованого на оцінку можливості використання комбінування робочих процесів у малогабаритній насосній ступені шнекового типу; [6] –доробка ступені, проведення експериментального дослідження, оцінка та аналіз його результатів.
Поставлення задач, вибір методів дослідження та аналіз отриманих результатів виконані спільно з науковим керівником проф. Євтушенко А.О.
Апробація роботи. Основні положення і результати дисертації доповідалися й обговорювалися на:
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 наукових праць у спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАКу України. Матеріали дисертаційної роботи використовувалися також у звітах з НДР.
Структура й обсяг дисертаційної роботи. Робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації –сторінки, у тому числі 74 рисунки, з яких 4 на окремих аркушах, 17 таблиць, бібліографія із 118 джерел на 10 сторінках, 7 додатків на 17 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність проведення дослідження, спрямованого на отримання стабільної напірної характеристики малогабаритної ступені шнекового типу занурюваного свердловинного насоса. Сформульовані мета та задачі дослідження, наводиться загальна характеристика роботи.
У першому розділі викладені результати інформаційно-аналітичного огляду сучасного стану проблеми, пов’язаної з роботою осьових машин на знижених подачах.
Особливості роботи з мережею осьових вентиляторів, компресорів і насосів на знижених до певного критичного рівня подачах відомі уже близько сотні років, а протягом останніх п’ятидесяти детально досліджуються. Незважаючи на значний нагромаджений експериментальний матеріал, процеси, що відбуваються у проточній частині даних машин у області порушення стабільності їх напірних характеристик, і причини, що їх викликають, залишаються все ще дуже складними для розуміння і опису. Строгого гідродинамічного розв’язання задачі з визначення параметрів потоку в осьових насосах на режимах недовантаження на даний час не існує, тому дійсні напірні характеристики в області подач, менших за критичну, можливо отримати лише шляхом експериментальних досліджень.
Огляд розвитку уявлень із зазначеної теми, в який, зважаючи на складність та недостатню вивченість питання, були включені також дані щодо відцентрових та діагональних робочих органів, показав, що на даний час у дослідників немає загальновизнаних усталених уявлень про те, які саме елементи і геометричні параметри проточної частини чинять вирішальний вплив на вищеназвані процеси, а наявні гіпотези мають суперечливий характер. У різний час в даному напрямку щодо відцентрових насосів працювали С.С. Руднєв, В.І. Мелащенко, В.А.Зимніцький, щодо діагональних - А.О. Євтушенко, А. Goto, T. Toyokura, J. Kurokawa, щодо осьових –Г.В. Бураков, H. Murai, I. Goltz, щодо передвключених шнеків - А.С. Шапіро, В.Ф. Чебаєвський, В.І. Петров, Б.В. Овсянніков, А.О. Анкудінов та ін. Існування ряду суттєвих відмінностей в умовах роботи досліджуваної ступені у складі багатоступеневого свердловинного насосу, зумовлених у тому числі й характерними особливостями її конструкції, робить беззастережне застосування до неї розглянутих моделей та гіпотез робочого процесу лопатевих насосів на знижених подачах необґрунтованим, а першопричини виникнення нестабільності на її напірній характеристиці –такими, що потребують уточнення.
Проаналізовано існуючі пристрої для отримання стабільної напірної характеристики осьових вентиляторів, компресорів та насосів з точки зору перспективності їх застосування у досліджуваній ступені і відповідності ряду вимог. Пристрої для поліпшення форми напірної характеристики або розширення зони стійкої роботи осьових машин умовно поділено на дві групи: активні –використовується впорскування або відсмоктування робочого середовища за допомогою зовнішнього джерела енергії, та пасивні - вдосконалення характеристики відбувається за рахунок переформування структури течії без внесення додаткової енергії від інших систем. Вказано на доцільність застосування пасивних пристроїв, з множини котрих з урахуванням ряду обмежень та вимог (мінімальні габарити, висока технологічність та ін.) відібрано як перспективні прямі осьові пази, застосовані у діагональному (J. Kurokawa) та осьовому (I. Goltz) насосах. Показана необхідність проведення дослідження, спрямованого на підтвердження перспективності використання прямих осьових пазів у досліджуваній ступені, та пошук геометричних параметрів проточної частини ступені, які визначально впливають на форму її напірної характеристики.
Аналіз останніх розробок в області вдосконалення ступеней заглибних свердловинних насосів засвідчує існування тенденції до застосування комбінування робочих процесів з метою отримання нових якостей та властивостей на вимогу практики. Відповідно необхідною є оцінка можливості створення на основі малогабаритної ступені шнекового типу насосів з комбінованим робочим процесом.
У другому розділі формулюються мета дослідження та задачі, що вирішувалися для її досягнення. Описані методи та засоби проведення дослідження.
Як технічний об’єкт дослідження прийнята малогабаритна ступінь шнекового типу свердловинного насосу ЭДП 5А-500 (рис. 1), яка складається з робочого колеса (РК) та статорного апарата (СА). Робоче колесо має лопаті, спрофільовані за законом гвинта постійного кроку, а статорний апарат являє собою гратку прямих радіальних пластин. Основною особливістю досліджуваної ступені є високий рівень технологічності завдяки спрощеній геометрії проточної частини.
Прийнятий метод дослідження при розробленні фізичної моделі течії –чисельне моделювання. Воно включало кілька етапів: створення твердотільної геометричної моделі, що імітує об’єм рідини у каналах проточної частини ступені; задання параметрів розрахункової сітки та її побудова; задання граничних умов; розрахунок та аналіз отриманих результатів. Для моделювання роботи ступені у багатоступеневому насосі використовувалася багатозв’язна розрахункова область, що складалася з кількох підобластей. Розрахункова сітка нараховувала близько 1,6 млн комірок. Для моделювання турбулентності була використана SST (shear stress transport) модель турбулентності. На усіх твердих стінках задавалася умова прилипання. Для належного опису пограничних шарів поблизу твердих стінок у розрахунковій області було створено 12 шарів призматичних комірок. По результатам розрахунку безрозмірний параметр у+, що характеризує відстань від твердої стінки до найближчого вузла розрахункової сітки, мав значення у+< 2. На вході в розрахункову область задавався повний тиск, на виході –масова витрата. Розрахунок проводився спочатку в стаціонарній (як перше наближення), а потім –у нестаціонарній постановці.
Вирішення решти задач проводилося експериментальним методом за допомогою дослідного стенда. Стенд працює за замкнутою схемою циркуляції робочої рідини (технічна вода). Випробування у рамках даної роботи проводилися за загальноприйнятою методикою для динамічних насосів у відповідності до вимог нормативних документів. При проведенні дослідів послідовно випробовувалися збірки, що складалися з трьох та двох (проміжна демонтована) ступеней у фіксованому виконанні. Енергетична та напірна характеристики демонтованої ступені отримувались як різниця характеристик зазначених збірок. Засоби вимірювання пройшли атестацію і повірку в установленому порядку. Розрахунки похибок визначення експериментальних параметрів досліджуваної ступені свідчать про знаходження їх величин у допустимих межах.
У третьому розділі наведені результати розроблення фізичної моделі течії в досліджуваній ступені на знижених подачах. Як базова для аналізу вибрана подача , яка відповідає першій стійкій точці на напірній характеристиці ступені після розриву. Очікується, що на зазначеній подачі у структурі течії в каналах ступені будуть домінувати явища, які визначають положення розриву на її напірній характеристиці і вплив яких для вдосконалення останньої необхідно усунути в першу чергу.
Течію в робочому колесі можливо умовно поділити на дві підобласті (рис. 2): периферійну, зі зворотними токами та складним характером течії, і привтулкову, де основний потік входить у робоче колесо і зберігає переважний напрямок від вхідних кромок до вихідних. Встановлено факт виникнення зворотних токів на виході з робочого колеса на суттєво нижчих подачах (орієнтовно при ), ніж на вході.
Потік у міжлопатевому каналі статорного апарата при подачі має складний тривимірний характер. Гратка статорного апарата працює з великими кутами натікання, тому досить очевидним є наявність вихорів за її лопатками. Вдаряючись у лопатку апарата, потік частково повертається у її напрямку, набуває радіальної складової швидкості у напрямку до втулки і, досягнувши її поверхні, розтікається під кутом до неї. Складна структура течії певною мірою зумовлена взаємодією основного потоку на виході зі статорного апарата і зворотних токів на вході у наступне робоче колесо. Останні, заходячи в міжлопатевий канал статорного апарата у периферійній області, притискають основний потік до робочої сторони лопатки (рис. 3), витісняють його у привтулкові перерізи і, закручуючи по напрямку обертання у осьовому зазорі між гратками, вочевидь зменшують напір робочого колеса. Основний потік займає незначну частину поперечного перерізу каналів статорного апарата на виході, що ймовірно є причиною значних гідравлічних втрат.
Поява зворотних токів на вході в робоче колесо при знижених подачах і перенесення ними енергії проти напрямку основного потоку через насос призводить до того, що воно (колесо) починає активно впливати на структуру течії перед собою, перебудовуючи її. Відповідно класичне визначення ступені заглибного насоса (робоче колесо та апарат) як відносно самостійної складової, течію в якій можливо аналізувати абстрагувавшись від умов роботи в багатоступеневому компонуванні, у даному випадку втрачає зміст. На знижених подачах необхідно враховувати структуру течії як мінімум у трьох послідовно розміщених елементах –наприклад, робочому колесі, статорному апараті і наступному робочому колесі (РК-СА-РК).
Різке зниження напору і розрив напірної характеристики досліджуваної ступені вочевидь пов’язані із взаємодією зворотних токів з основним потоком в каналах статорного апарата і в осьовому зазорі між гратками та виключенням із процесу створення напору периферійних ділянок лопатей робочого колеса (рис. 2) з одночасним зменшенням кутів атаки у його привтулкових перерізах. Беручи до уваги виявлений факт виникнення зворотних токів на вході та виході з робочого колеса малогабаритної ступені шнекового типу при різних подачах, можна говорити, що на подачах, близьких до у каналах проточної частини ступені домінуючою структурою буде вихорова структура, утворена зворотними токами на вході в робоче колесо. Відповідно для отримання стабільної напірної характеристики ступені необхідно передусім ліквідувати негативний вплив даної структури на потік в її каналах, для чого на обоймі статорного апарата пропонується виконати прямі осьові пази.
Аналіз структури течії в досліджуваній ступені на подачі за наявності пазів на обоймі статорного апарата показує, що вхідні кромки лопатей робочого колеса по всій їх висоті обтікаються основним (прямим) потоком (рис. 4), а зворотні токи не спостерігаються, хоча на периферії можливо виділити низькошвидкісну зону 1.
Розгляд течії у статорному апараті (рис. 5) на подачі за наявності пазів на його обоймі дозволяє виявити зміну характеру обтікання його вихідних кромок внаслідок відсутності зворотних токів на вході в наступне робоче колесо. Ймовірно, основний потік витісняється вихором за лопаткою в пази, де формуються швидкісні струмені, які при досягненні робочого колеса змінюють умови обтікання периферійної частини вхідних кромок його лопатей. У пазах відбувається значне вихороутворення, що дає підстави очікувати підвищення рівня гідравлічних втрат при протіканні рідини. У пазу біля тильної сторони лопатки статорного апарата потік лише орієнтовно до середини його довжини тече у напрямку основного потоку (рис. 5), а далі напрямок течії змінюється на протилежний.
Вочевидь основний механізм дії пазів на переформування структури течії в досліджуваній ступені зумовлюється, з одного боку, утворенням в пазах прямого (без закрутки) потоку, який при досягненні вхідних кромок наступного робочого колеса створює такі умови їх обтікання, що зворотні токи не виникають. З іншого боку, за відсутності зворотних токів на вході у робоче колесо потік поблизу виходу із попереднього статорного апарата не зазнає негативного впливу з їх боку і має переважно осьовий напрямок, характерний для оптимального режиму (за винятком вихорової зони за лопаткою, розміри якої збільшуються). Таким чином, дія пазів зводиться до затягування моменту утворення зворотних токів на периферії вхідних кромок робочого колеса шляхом зміни умов їх обтікання. Порівняння результатів чисельного моделювання та експериментальних характеристик ступені дозволяє зробити висновок про їх задовільне узгодження (розбіжність становить від 3 до 14 % на різних режимах).