Оформить заявку с сайта  
на главную
о компании
каталог
прайс-лист
статьи
производство
контакты



Каталог продукции:

 

User


  Скачать прайс-лист

Справочный материал:




Статьи на сайте:





 

Применение малогабаритных осевых ступеней низкой быстроходности в скважинных водяных насосах

6 - 9 сентября 2011, СумГУ, г. Сумы, Украина XIII Международная научно-техническая конференция “ГЕРВИКОН-2011”

Международный форум “НАСОСЫ-2011” Семинар “ЭККОН-11”

Гусак А.Г.,Демченко О.А., Каплун И.П.

АННОТАЦИЯ

Рассматривается диапазон коэффициентов быстроходности, в котором целесообразно применять малогабаритные осевые ступени в скважинных водяных насосах. Разработан и испытан многоступенчатый скважинный насос с осевыми ступенями, получены его напорная и энергетические характеристики.


1. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время в системах водоснабжения все большую долю занимает подземная вода, поднятая из скважин. По некоторым оценкам, в Украине в общем объеме водоснабжения вода из скважин составляет около 30%, и в будущем ее доля вследствие ряда причин (чистота воды, удобство обустройства водозаборов, экономичность эксплуатации и др.) будет только возрастать.

Основным оборудованием для подъема воды из скважин в Украине были и остаются установки погружных скважинных насосов типа ЭЦВ. Данные насосы не всегда отвечают запросам современных потребителей, и их эксплуатация сопровождается рядом проблем, среди которых можно выделить короткий срок эксплуатации до ремонта, низкое значение среднеэксплуатационного КПД, повышенный износ и коррозия деталей, низкая ремонтопригодность и др. Для решения описанных выше проблем крупные производители реализуют программы по модернизации, затрагивающие одновременно и приводной электродвигатель и насосную часть. Модернизация насосной части в большинстве случаев проводится в трех основных направлениях: применение современных полимеров в радиальных опорах вала насоса, что повышает механический КПД и ресурс; модернизация радиальных уплотнений рабочих колес и применение стойких к коррозии материалов для повышения долговечности насоса; улучшение гидравлических характеристик проточной части, направленное, прежде всего, на повышение значения КПД. Подобные модернизации позволяют, с одной стороны, значительно повысить качество насосов типа ЭЦВ и увеличить срок их службы, но, с другой стороны, являются лишь временным решением.

2. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

По данным европейской ассоциации производителей насосного оборудования Europump, насосными системами потребляется около 20% вырабатываемой в мире электроэнергии. Известно также, что при покупке скважинного насоса покупатель в среднем платит лишь 5-8 % от итоговой суммы, которую он израсходует на протяжении всего срока эксплуатации, в то время как расходы на оплату потребляемой электроэнергии составят около 80% указанной суммы. Очевидно, что в условиях постоянного повышения цен на энергетические ресурсы все больше внимания будет уделяться их экономному расходованию. Соответственно, будут выдвигаться новые требования и к уровню КПД скважинных насосов.

Также отметим, что типоразмерный ряд погружных насосных агрегатов, выпускаемых отечественными производителями, ориентирован в основном на эксплуатацию низкодебетных скважин. В то же время анализ продукции зарубежных производителей указывает на устойчивую тенденцию к увеличению подач насосов при одновременном уменьшении их условного диаметрального габарита (рис. 1). Вероятно, это вызвано резким увеличением стоимости строительства и обустройства скважин с ростом их диаметра (по некоторым данным в кубической зависимости). Соответственно, для минимизации как капитальных так и эксплуатационных затрат система водоснабжения при заданной производительности должна обладать следующими качествами:

  • иметь минимальный диаметр скважины (насколько позволяют местные геологические условия при обеспечении требуемого дебита) для снижения стоимости ее бурения и обустройства;

Поля рабочих параметров погружных скважинных водяных насосов отечественного и зарубежного производствадля 10 условного габарита

  • насосный агрегат в составе насосной установки должен иметь максимальный среднеэксплуатационный КПД для снижения стоимости эксплуатации.

Отдельно подчеркнем, что большинство европейских фирм- производителей скважинных насосов уже имеют в составе своих производственных линеек высокопроизводительные насосы с диагональными ступенями и высоким КПД (рис. 2), а резервы его дальнейшего повышения в большинстве случаев можно считать практически исчерпанными. Создание способных конкурировать с ними диагональных машин в большинстве случаев представляется весьма проблематичным, так как требует значительных затрат без гарантии получения более высокого результата.

В таких условиях целесообразным выглядит применение разработанных на кафедре прикладной гидроаэромеханики Сумского государственного университета (СумГУ) малогабаритных осевых ступеней низкой быстроходности [6, 8, 9], которые в данном случае имеют ряд преимуществ. Как известно, осевые проточные части отличаются высоким значением гидравлического КПД (на уровне 87-90 %) и имеются основания полагать, что данный уровень КПД возможно сохранить при снижении коэффициента быстроходности вплоть до района ns=300. Также при высоких подачах они обеспечивают наиболее простую и компактную конструкцию, что особо важно в ограниченных условиях скважин. Немаловажно то, что при износе осевых рабочих колес в процессе эксплуатации осевое усилие на них (которое является одним из разрушающих факторов для насосов типа ЭЦВ) не возрастает, а уменьшается, что позволяет повысить ресурс опорного узла и избежать повышенного потребления электроэнергии. Но, по-видимому, решающим преимуществом осевых ступеней для скважинных насосов является то, что они дают возможность в 1,5 – 1,7 раза повысить подачу по сравнению с центробежными ступенями при неизменных радиальных габаритах.

График значений КПД скважинных водяных насосов для 10 условного габарита

Одним из ключевых в данном случае является вопрос о целесообразном диапазоне (по ns) применения осевых проточных частей (ПЧ) в скважинных насосах в конкуренции с центробежными и диагональными, так как каждая из указанных ПЧ имеет свои преимущества и недостатки, и их применение должно базироваться на тщательном анализе. В качестве основного огранивающего критерия в данном случае может быть принят КПД осевой ступени по сравнению с лучшими ступенями скважинных водяных насосов мировых фирм-лидеров.

3. АНАЛИЗ ПРЕДЫДУЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Одноступенчатые конструкции осевых насосов известны достаточно давно и широко применяются на практике. Они отличаются относительной простотой конструкции, малой массой и компактностью при подаче больших объемов жидкости.

Многоступенчатые осевые насосы применяются в ракетостроении в агрегатах питания жидкостных ракетных двигателей. Для таких насосов характерны большие окружные скорости, высокие значения удельной работы, агрессивные рабочие среды и повышенные требования к кавитационной устойчивости.

Известны также попытки применения многоступенчатых осевых насосов в нефтегазовой и добывающей промышленности для перекачивания многофазных жидкостей.

а) характеристика осевого скважинного насоса [13, 14]; б) погружной насос осевого типа для скважины диаметром 150 мм

Первые известные нам шаги по созданию многоступенчатого осевого насоса для скважин были предприняты в 70 -х гг. прошлого столетия А.Н. Папиром . К сожалению, автор отмечает низкое качество изготовления опытного образца, что негативно отразилось на его характеристиках (рис. 3), и не позволило в полной мере оценить преимущества данного типа водяного насоса.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Дополнительно к определению нижней границы значений коэффициента быстроходности ns для малогабаритной осевой ступени необходимо получить информацию о реально достижимых параметрах ступени (напор, КПД, кавитационный запас) для наиболее часто используемых условных габаритов скважин.

Соответственно, при проектировании ступени было выбрано сочетание параметров (табл. 1), которое по предварительной информации  близко к предельному, так как приводит к росту втулочного отношения и угла установки лопастей рабочего колеса, отрицательно сказываясь на уровне КПД, который принят в качестве основного лимитирующего фактора.

Было обнаружено, что методика проектирования малогабаритных осевых ступеней низкой быстроходности как таковая отсутствует, а имеющиеся методики проектирования осевых ПЧ разработаны преимущественно для диапазона ns=700..1000 и не обеспечивают приемлемой точности за его пределами. Для достижения приемлемых результатов потребовалось введение ряда опытных уточняющих коэффициентов.

Принимая во внимание затруднения, возникающие при единичном изготовлении малоразмерных осевых ПЧ, проектирование велось при активном использовании численного моделирования в программном комплексе ANSYS CFX университетской версии.

Для корректного моделирования условий работы промежуточной ступени насоса использовалась многосвязная расчетная область, состоящая из входного элемента, трех рабочих колес и статорных аппаратов и выходного элемента. Все результаты были получены для средней из трех ступеней. С целью экономии ресурсов ЭВМ использованная геометрическая модель представляла собой лишь часть полного объема жидкости (рис. 4).

Расчетная сетка в рабочем колесе (РК) насчитывала около 0,8 млн. призматических ячеек, в статорном аппарате (СА) – 0,6 млн. ячеек. Перед проведением исследования для каждого элемента расчетной области была выполнена проверка сеточной независимости. Величина переменной Y+ находилась в пределах от 10 до 100 единиц, что соответствует рекомендациям, приведенным в руководстве пользователя.

При расчете энергетических и напорных характеристик моделирование течения в ПЧ ступени проводилось в диапазоне подач от 0,8 Qопт до 1,2 Qопт. Для моделирования турбулентности была использована стандартная k – ε модель турбулентности с масштабируемыми пристеночными функциями. По результатам численного моделирования была изготовлена и испытана малогабаритная осевая ступень, а также изготовлен и испытан многоступенчатый насос на ее основе (рис. 5). Испытания малогабаритной осевой ступени были выполнены на стенде, принципиальная схема которого приведена на рисунке 5. Все энергетические характеристики получены на частоте вращения вала 2910 об/мин.

Вид расчетных сеток рабочего колеса водяного насоса

Сравнительно небольшие габариты, невысокие значения потребляемой мощности исследуемых ступеней, а также возможность влияния закрутки на входе в рабочее колесо на характеристику ступени не позволяют получать достаточно качественные экспериментальные данные при работе с одной ступенью. Поэтому при испытаниях были проведены последовательные испытания сборок, которые состояли соответственно из трех и двух (промежуточная демонтирована) ступеней. Энергетические характеристики демонтированной ступени получались как разница характеристик указанных сборок. Принималось, что в данном случае влиянием входа и выхода из экспериментального прибора можно пренебречь. Для исключения влияния гистерезисных явлений на получаемую характеристику ступени испытания проводились от максимальной подачи до нулевой и в обратном направлении. Интегральные характеристики ступени, полученные на экспериментальном стенде и в результате численного моделирования, представлены на рисунке 6 а. Все приведенные ниже результаты относятся к промежуточной ступени. Анализ характеристик показывает, что расхождение результатов численного моделирования и эксперимента по напору составляет около 3% с вполне предсказуемым завышением напора при численном моделировании. Что же касается КПД, то из рисунка 6 а следует, что полученная при испытаниях на стенде кривая КПД ступени обеспечивает более узкий диапазон рабочих режимов, чем та, которая получена при численном моделировании, в то время как максимальные значения КПД имеют приемлемое расхождение в 4%. Наиболее вероятной причиной указанного поведения экспериментальной зависимости КПД являются расхождения между геометрической моделью лопастных систем, использованной при расчете, и реально изготовленной, в особенности формы входных и выходных кромок, шероховатости каналов проточной части и т. д. При анализе картины течения в каналах исследуемой ПЧ было выявлено, что даже на оптимальных режимах течение имеет весьма сложный пространственный характер, изменение параметров потока вдоль размаха лопасти выражено более резко по сравнению с обычными осевыми насосами, и практически ни одно из цилиндрических сечений ПЧ не работает в расчетных условиях, что в значительной мере затрудняет проектирование и доводку ПЧ такого типа.

Дальнейшее понижение ns (которое при фиксированном значении частоты вращения и напора равнозначно снижению коэффициента подачи) нецелесообразно, так как приведет к дальнейшему росту углов установки лопастей рабочего колеса, диффузорности его каналов и росту гидравлических потерь, что неизбежно уменьшит значение КПД ступени.

На рисунке 6 б представлены экспериментальная и расчетная характеристики насоса. Несмотря на невыгодное сочетание коэффициентов напора и подачи, получено значение КПД насоса, которое лишь незначительно ниже КПД насосов ведущих фирм, приведенных на рисунке 2. На экспериментальной характеристике насоса оптимум смещен в область малых подач, что объясняется некоторыми особенностями изготовления рабочих колес. Анализируя напорные характеристики насоса, приведенные на рисунке 6 б можно отметить, что расхождение между результатами численного моделирования и эксперимента в точке оптимума составляет не более 3 %, что вполне приемлемо.

a) характеристики ступени; б) характеристики водяного насоса

ВЫВОДЫ

В результате проведения численного моделирования, испытаний ступени и опытного насоса на экспериментальных стендах были получены следующие результаты:

  • экспериментально подтверждена возможность применения малогабаритных осевых ступеней с низким коэффициентом быстроходности (вплоть до ns=267) в погружном скважинном насосе с получением приемлемых значений КПД ступени (82%) и насоса (79%);
  • создание ступеней с более низким ns равнозначно уменьшению коэффициента расхода, что приведет к дальнейшему росту углов установки лопастей рабочего колеса, диффузорности его каналов и втулочного отношения, что снизит КПД ступени и поэтому нецелесообразно;
  • исследуемая ступень имеет ряд перспективных направлений по дальнейшему совершенствованиюкак самой ступени, так и насоса в целом.

 

Адрес: ООО "Энергия – насосы и арматура"
г. Москва, ул. Люблинская, дом 72 (территория "Люблинского Литейно-механического завода")
Телефон: +7 (495) 940-87-47, +7(495) 799-15-47
E-mail: mnz@mnz.ru