Хлипуненко Данило Володимирович

Для досягнення мети сформульовані наступні завдання:

- аналіз динамічних насосів на ГРС в широкому діапазоні швидкохідності і оцінка впливу конструктивного виконання їх проточних частин на стійку роботу на ГРС;

- визначення можливості застосування РН, що мають РК з малим числом лопатей (1,2) в умовах їх роботи на ГРС;

- оцінка впливу геометрії проточної частини однолопастних РК на характеристики РН, що працює на ГРС;

- визначення картини течії ГРС всередині проточної частини РН з одно- і двухлопастними РК з використанням методів чисельного моделювання;

- аналіз впливу пазух одно- і двухлопастних РК РН на стійку роботу насоса на ГРС.

Зараз існує безліч робіт по вивченню впливу величини газозмісту на роботу динамічних насосів, перекачуючих газонасищенні суспензії. Проте кожне дослідження є строго прив'язаним до конкретного конструктивного виконання проточної частини лопатевих насосів. Матеріали різних авторів носять досить суперечливий характер, що в результаті не дозволяє отримати чітку і ясну картину проведених ними досліджень. Існуючі методики перерахунків динамічних характеристик насосів з води на ГРС також є зав'язаними на конкретної конструкції того або іншого 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.

Бажайкиним Ц.Р. [6-8] проведені дослідження зміни енергетичних характеристик РН з урахуванням фазових переходів в каналах РК. Результати досліджень показують, що характеристика насоса Q-H при перекачуванні однорідних ГРС та обліку середнього значення газозмісту не змінюється і збігається з характеристикою Q-H для краплинної рідини. На підставі експериментальних досліджень встановлено, що зрив параметрів РН є нестаціонарним процесом. Він настає в результаті того, що із збільшенням кількості газу в ГРС відбувається активне формування газових порожнин (каверн) в каналах РК, які згодом спрямовуються до центру. Відбувається об'єднання їх між собою і з газовим формуванням, що мають місце у верхній частині горизонтального вхідного патрубка насоса. Сформована область вільного газу займає вхідні ділянки лопаток і маточину РК. В решті частини каналів РК насоса знаходиться краплинна рідина. Ці дані не збігаються з даними інших дослідників.

У ході робіт [9-12], спрямованих на вивчення впливу газової фази на характер перебігу та характеристики РН, було встановлено, що при досить великих об'ємних частках вільного газу рідини в межлопаточных каналах РК утворюються газові каверни, прилеглі до тильної сторони лопаток. Зазначено, що створення умов, що утрудняють злиття газових бульбашок в потоці рідини у міжлопаточних каналах РК, сприяє зниження шкідливого впливу вільного газу на параметри насоса. При однаковій об'ємній частці газової фази в турбулентному потоці рідини ймовірність злиття двох бульбашок тим більша, чим менше часу триває цей процес. Тривалість процесу злиття залежить від наявності поверхнево-активних речовин (ПАР) у рідини, величини тиску і в'язкості. Наявність ПАР, високий тиск на вході в насос і в'язкість рідини призводять до підвищення стійкої роботи насоса при набагато більших кількостях газу в перекачуємій суміші. Розчинення, газової фази в рідині по мірі збільшення тиску від сходи до ступеня багатоступінчастого насоса відбувається внаслідок великої швидкості потоку, з запізненням. Вплив газової фази на в'язкість ГРС в робочих органах РН незначний і його можна не враховувати.

Робота [14] присвячена розрахунку течії ГРС в насосах і сепараторах. Тут розглядається рух суміші, бульбашки газу в якій тривалий час зберігають свою індивідуальність, близько розташовані між собою, але не поєднуються один з одним. Отримано рівняння руху бульбашки газу в проточній частині лопастної машини.

У роботі [13] автором наведено результати проведеної ним візуалізації робочого процесу в проточній частині СВН типу "Turo" (мал. 2) при його роботі на водоповітряною суміші. У ході цієї роботи були встановлені 5 місць виникнення і скупчення повітряних бульбашок (мал. 4).

Мал. 2. Схема СВН типу "Turo".

Мал. 3. Робочі характеристики СВН типу "Turo" при його роботі на ГРС.

Мал. 4. Зони скупчення бульбашок повітря в проточній частині СВН типу "Turo" при його роботі на ГРС.

(аніміція: об'єм - 22,4 Кб; розмір - 850х550; кількість кадрів - 9; кількість циклів повторення - 5)

При малому газозмісті бульбашки повітря рівномірно розподілені в рідині. При роботі СВН типу "Turo" частина потоку надходить в напірний патрубок, а інша обертається по спіральній траєкторії в самому РК і вільної камері насоса. При цьому повітряні бульбашки, рухаючись у цьому спиралеподібному потоці витісняються в область менших радіусів і скупчуються у передньої стінки на вході в вільну камеру 1.

У межлопастних каналах РК повітряні бульбашки скупчуються у передньої крайки колеса на неробочій його стороні (область 2).

При збільшенні газозмісту відбувається зростання повітряного міхура як уздовж неробочого боку лопаті у бік виходу з РК, так і до робочої сторони. На радіусі виходу з РК відбувається їх скупчення, утворюючи при цьому так званий водоповітряний палять (область 3).

Поблизу язика відводу (область 4) спостерігається миготливі виникнення повітряних бульбашок, які згодом несуться набігаючим потоком.

При певному значенні газозмісту в задній пазусі РК відбувається утворення і подальше зростання газового кільця (область 5). При досягненні критичного газозмісту газове кільце досягає вихідного діаметра РК замикається з газової порожниною, утвореної в області 3, в результаті чого вхід в напірний патрубок виявляється перекритим і відбувається зрив параметрів насоса.

Виходячи з того, що алгоритм перерахунку характеристик РН фактично відсутній або тісно прив'язаний до конкретного конструктивного виконання, Сапожніковим СВ. [15] розроблені загальні положення методики перерахунків напірної характеристики радіальних насосів різних конструктивних схем з води на газорідинну суміш при невеликих частках газової фази (до 5%). При цьому розглядалося два види поправок - на зміну теоретичного і дійсного напорів. Виходячи з цього отримано вираз для розрахунку напору насоса, що працює на ГРС:

де - коефіцієнт напору насоса, що працює на ГРС;

- теоретичний коефіцієнт напору насоса, що працює на чистій рідині;

- гідравлічні втрати в проточній частині насоса при його роботі на чистій рідині, м;

- 9,81 м/с - прискорення вільного падіння;

- окружна швидкість на виході з РК при роботі насоса на чистій рідині, м/с.

Дана розробка використовується як база для вибору і розрахунку характеристик радіальних насосів при розробці нових технологічних ліній.

Висновок

Завдяки проведеному огляду літератури було встановлено, що закордонні виробники наполягають, що найбільш ефективним у плані незасмічуванності і простоті конструкції можуть застосовуватися РН, що мають РК з малим числом лопатей.

Відомо, що РН традиційних конструктивних схем стійко працюють, коли величина критичного об'ємного газозмісту не перевищує 10 - 15% від загального обсягу перекачуємої суміші. Згідно з даними, отриманими в ході літературного огляду, РН, що мають РК з малим числом лопатей, ефективні при набагато більших обсягах газу в перекачуємій суміші. Разом з тим наявні з цього питання матеріали носять, в основному, лише рекламний характер і не містять у собі необхідних кількісних характеристик і, тим більше, методичних рекомендацій щодо їх проектування з урахуванням особливості роботи на ГРС.

Список літератури

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.