Хлыпуненко Даниил Владимирович

Для достижения цели сформулированы следующие задачи:

- анализ динамических насосов на ГЖС в широком диапазоне быстроходности и оценка влияния конструктивного исполнения их проточных частей на устойчивую работу на ГЖС;

- определение возможности применения РН, имеющих РК с малым числом лопастей (1,2) в условиях их работы на ГЖС;

- оценка влияния геометрии проточной части однолопастных РК на характеристики РН, работающего на ГЖС;

- определение картины течения ГЖС внутри проточной части РН с одно- и двухлопастными РК с использованием методов численного моделирования;

- анализ влияния пазух одно- и двухлопастных РК РН на устойчивую работу насоса на ГЖС.

Сейчас существует множество работ по изучению влияния величины газосодержания на работу динамических насосов, перекачивающих газонасыщенные суспензии. Однако каждое исследование является строго привязанным к конкретному конструктивному исполнению проточной части лопастных насосов. Материалы разных авторов носят достаточно противоречивый характер, что в результате не позволяет получить четкую и ясную картину проведенных ими исследований. Существующие методики пересчета характеристик динамических насосов с воды на ГЖС также являются завязанными на конкретной конструкции того или иного насоса.

Авторами работ [1-5] было подробно исследовано течение в каналах насоса. В этих работах приведена количественная оценка зависимости коэффициента напора от коэффициента подачи для однофазной и двухфазной среды. Отмечается, что оптимальная величина КПД при увеличении процентного газосодержания в перекачиваемой смеси смещается в сторону меньших подач. Предельная концентрация газа в жидкости, выше которой происходит срыв подачи насоса, зависит от конструктивных особенностей каждого агрегата. Авторами предложены рекомендации по улучшению характеристик и расширению диапазона работы насоса. Улучшения работоспособности насосного оборудования можно достичь путем повышения однородности перекачиваемой смеси. Установлено, что вид ГЖС не влияет на предельный напор. Предельный напор РН можно повысить, увеличивая выходной угол РК, при этом наилучшие результаты работы насоса были достигнуты с использованием РК с радиальными лопатками.

Бажайкиным С.Г. [6-8] проведены исследования изменения энергетических характеристик РН с учетом фазовых переходов в каналах РК. Результаты исследований показывают, что характеристика насоса Q-H при перекачивании однородных ГЖС и учете среднего значения газосодержания не изменяется и совпадает с характеристикой Q-H для капельной жидкости. На основании экспериментальных исследований установлено, что срыв параметров РН является нестационарным процессом. Он наступает в результате того, что с увеличением количества газа в ГЖС происходит активное формирование газовых полостей (каверн) в каналах РК, которые впоследствии устремляются к центру. Происходит объединение их между собой и с газовым формированием, имеющим место в верхней части горизонтального входного патрубка насоса. Сформировавшаяся область свободного газа занимает входные участки лопаток и ступицу РК. В остальной части каналов РК насоса находится капельная жидкость. Эти данные не совпадают с данными других исследователей.

В ходе работ [9-12], направленных на изучение влияния газовой фазы на характер течения и характеристики РН, было установлено, что при достаточно больших объемных долях свободного газа в жидкости в межлопаточных каналах РК образуются газовые каверны, прилегающие к тыльной стороне лопаток. Указано, что создание условий, затрудняющих слияние газовых пузырьков в потоке жидкости в межлопаточных каналах РК, способствует снижению вредного влияния свободного газа на параметры насоса. При одинаковой объемной доле газовой фазы в турбулентном потоке жидкости вероятность слияния двух пузырьков тем большая, чем меньше времени продолжается этот процесс. Продолжительность процесса слияния зависти от наличия поверхностно-активных веществ (ПАВ) в жидкости, величины давления и вязкости. Наличие ПАВ, высокое давление на входе в насос и вязкость жидкости приводят к повышению устойчивой работы насоса при гораздо больших количествах газа в перекачиваемой смеси. Растворение, газовой фазы в жидкости по мере увеличения давления от ступени к ступени многоступенчатого насоса происходит вследствие большой скорости потока, с запаздыванием. Влияние газовой фазы на вязкость ГЖС в рабочих органах РН незначительно и его можно не учитывать.

Работа [14] посвящена расчету течения ГЖС в насосах и сепараторах. Здесь рассматривается движение смеси, пузырьки газа в которой длительное время сохраняют свою индивидуальность, близко расположены между собой, но не объединяются друг с другом. Получено уравнение движения пузырька газа в проточной части лопастной машины.

В работе [13] автором приведены результаты проведенной им визуализации рабочего процесса в проточной части СВН типа «Turo» (рис. 2) при его работе на водовоздушной смеси. В ходе этой работы были установлены 5 мест образования и скопления воздушных пузырьков (рис. 4).

Рис. 2. Схема СВН типа «Turo».

Рис. 3. Рабочие характеристики СВН типа «Turo» при его работе на ГЖС.

Рис. 4. Зоны скопления пузырьков воздуха в проточной части СВН типа «Turo» при его работе на ГЖС.

(анимация: объем - 22,4 Кб; размер - 850х550; количество кадров - 9; количество циклов повторения - 5)

При малом газосодержании пузырьки воздуха равномерно распределены в жидкости. При работе СВН типа «Turo» часть потока поступает в напорный патрубок, а другая вращается по спиралевидной траектории в самом РК и свободной камере насоса. При этом воздушные пузырьки, двигаясь в этом спиралевидном потоке вытесняются в область меньших радиусов и скапливаются у передней стенки на входе в свободную камеру 1.

В межлопастных каналах РК воздушные пузырьки скапливаются у передней кромки колеса на нерабочей его стороне (область 2).

При увеличении газосодержания происходит рост воздушного пузыря как вдоль нерабочей стороны лопасти в сторону выхода из РК, так и к рабочей стороне. На радиусе выхода из РК происходит их скопление, образуя при этом так называемый водовоздушный жгут (область 3).

Вблизи языка отвода (область 4) наблюдается прерывистое возникновение воздушных пузырей, которые впоследствии уносятся набегающим потоком.

При некотором значении газосодержания в задней пазухе РК происходит образование и дальнейший рост газового кольца (область 5). При достижении критического газосодержания газовое кольцо достигает выходного диаметра РК смыкается с газовой полостью, образованной в области 3, в результате чего вход в напорный патрубок оказывается перекрытым и происходит срыв параметров насоса.

Исходя из того, что алгоритм пересчета характеристик РН фактически отсутствовал или тесно привязан к конкретному конструктивному исполнению, Сапожниковым СВ. [15] разработаны общие положения методики пересчета напорной характеристики радиальных насосов разных конструктивных схем с воды на газожидкостную смесь при небольших долях газовой фазы (до 5%). При этом рассматривалось два вида поправок — на изменение теоретического Кнт и действительного Кh напоров. Исходя из этого получено выражение для расчета напора насоса, работающего на ГЖС:

где - коэффициент напора насоса, работающего на ГЖС;

- теоретический коэффициент напора насоса, работающего на чистой жидкости;

- гидравлические потери в проточной части насоса при его работе на чистой жидкости, м;

- 9,81 м/с - ускорение свободного падения;

- окружная скорость на выходе из РК при работе насоса на чистой жидкости, м/с.

Данная разработка используется как база для выбора и расчета характеристик радиальных насосов при разработке новых технологических линий.

Заключение

Благодаря проведенному обзору литературы было установлено, что зарубежные производители настаивают, что наиболее эффективным в плане незабиваемости и простоты конструкции могут применяться РН, имеющие РК с малым числом лопастей.

Известно, что РН традиционных конструктивных схем устойчиво работают, когда величина критического объемного газосодержания не превышает 10 – 15% от общего объема перекачиваемой смеси. Согласно данным, полученным в ходе литературного обзора, РН, имеющие РК с малым числом лопастей, эффективны при гораздо больших объемах газа в перекачиваемой смеси. Вместе с тем имеющиеся по этому вопросу материалы носят, в основном, лишь рекламный характер и не содержат в себе необходимых количественных характеристик и, тем более, методических рекомендаций по их проектированию с учетом особенности работы на ГЖС.

Список литературы

1. Конструкции центробежных насосов для подачи жидкостей с высоким газосодержанием / ВЦП. – № М – 16078. – Пер. ст. Kosmowski I. из журн.: British Pump Manufacturers Association. Technical Conference. – Cambridgs. – 1983. – № 8. – р. 159-169.
2. Анализ условий работы центробежного насоса, перекачивающего жидкости, содержащие газ. / БелНИИНТИ. № 542/3. – Пер. ст. Kosmowski I., Steinhheimer К. – из материалов конф.: Conference on Fluid Machinery (7, 1983, Budapest) Proceeding., Vol. 1, – р. 458-466.
3. Kosmowski I. Behaviour of centrifugal pumps when conveying gas entrained liquids. 7-th Technical Conference of the British Pump Manufacturers' Association 31 st March-Developing Needs, – р. 283-291.
4. Kosmowski J., Stephan R., Wompner V. Einflus den Homogenisierung auf die Forderung gesbeladener Flussigkeiten // Pumpen – und Verdichterinf, 1986. №2. – p. – 30-42.
5. Режим течения жидкости и газа в ротационных системах / ГП НТВ. № 81/46903. – Пер. ст. Kosmowski J. из журн.: Pumpen – und Verdichterinf, 1980, №1. – p. 34-38.
6. Бажайкин С.Г. и др. Об изменениях характеристик центробежного насоса, работающего на крупнодисперсной газожидкостной смеси // Тр. ВНИИ по сбору, подготовке и транспортировке нефти и нефтепродуктов – 1976. Вып. 17. – с. 199-206.
7. Бажайкин С.Г. Исследование влияния свободного газа на работу центробежного насоса при перекачке газожидкостных смесей по промысловым трубопроводам: Автореф. дисс. канд. техн. наук. – Уфа, 1980. – 20 с.
8. Бажайкин С.Г. Расчет напорных характеристик центробежных насосов с учетом фазовых переходов в каналах рабочего колеса 9 Ежегодный Международный конгресс «Новые высокие технологии для газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи». Уфа, 1999. Тезисы стендовых докладов. Уфа: Транстэк, 1999. – с. 10-12.
9. Ляпков П.Д. О формах течения водовоздушных смесей в каналах рабочих органов центробежного насоса // Химическое и нефтяное машиностроение, 1968, № 10. – с. 54-62.
10. Шарипов А.Г., Минигазимов М.Г. Исследование влияния газа на характеристику погружного центробежного насоса ЭЦН5-130-600 // Нефтяное хозяйство, 1969, № 11. – с. 27-32.
11. Ляпков П.Д. Игоревский В.И. О массообмене в погружном центробежном насосе // Нефтепромысловое дело, ВНИИОЭНГ, 1976, № 11. - с. 12- 17.
12. Ляпков П.Д. Игоревский В.И. Учет влияния газовой фазы на напорно-расходную характеристику многоступенчатого центробежного наоса // Всесоюзная научно-техническая конференция по гидромашиностроению «Проблемы и направления развития гидромашиностроения», Сумы, 1978. Тезисы докладов. Москва, ХОЗУ Минхиммаш 1978. – с. 92-95.
13. Сапожников СВ. Учет газовой составляющей среды при определении конструкции и рабочей характеристики ЦН: Дисс. канд. техн. наук: 05.05.17. – Сумы, 2002. – 206 с.
14. Трулев А.В. Расчет течения двухкомпонентных смесей в насосах и газосепараторах // Химическое и нефтяное машиностроение, 2000, № 8. – с. 36-38.
15. Евтушенко А.А., Сапожников СВ. Основные положения методики пересчета ЦН с воды на газожидкостную смесь // Вісник СумДу, № 2 (10), 1998. – с. 71-75.