СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БОКОВОГО ПОЛУСПИРАЛЬНОГО ПОДВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ДВУХСТОРОННЕГО ВХОДА
OPTIMISATION METHOD OF GEOMETRIC PARAMETERS OF SIDE SEMI-SPIRAL SUPPLY OF CENTRIFUGAL PUMP OF TWO-SIDED INLET

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к проектированию и изготовлению центробежных насосов, предназначенных, в частности, для использования в качестве нефтяных магистральных насосов.
В настоящее время постоянно ужесточаются требования к характеристикам нефтяных магистральных насосов, особенно к их энергоэффективности и надежности. Связано это с тем, что нефтяные магистральные насосы имеют, как правило, большую мощность и, соответственно, потребляют много энергии. При этом в суммарной стоимости жизненного цикла насоса затраты на электроэнергию могут достигать 80%. В связи с этим даже незначительное повышение КПД насоса на 1-2% может давать существенный экономический эффект. Отсюда возникает необходимость в повышении энергоэффективности проектируемых насосов, а также в оптимизации параметров насоса.
При этом основные сложности возникают при оптимизации проточной части насоса, включающей подвод, рабочее колесо и отвод.
Известен способ оптимизации проточной части центробежного насоса, при котором смещают максимум КПД в сторону больших подач посредством увеличения площади (расширения) входа в конический диффузор отвода (кн.: Высокооборотные лопаточные насосы. Боровский Б.И. и др. М.: Машиностроение, 1075, стр.125).
Известен способ оптимизации проточной части многоступенчатого центробежного насоса посредством оптимизации геометрических параметров элементов рабочего колеса и направляющего аппарата и выбором проходных сечений для жидкостных потоков, что позволяет уменьшить гидравлические потери и улучшить параметры напора и КПД (патент RU 2161737 с приоритетом от 02.03.2000).
Известен способ оптимизации геометрических параметров проточных каналов ступеней центробежного насоса, согласно которому оптимизация заключается в расширении проточных каналов направляющего аппарата и рабочего колеса при совпадении номинального режима с режимом максимального КПД не за счет выбора параметров отвода, как это принято в насосостроении, а за счет оптимизации параметров рабочего колеса (патент RU 2472973 с приоритетом от 01.07.2011). Указанный способ позволяет увеличить срок службы насоса, а также повысить напор и КПД ступени за счет смещения режима работы с максимальным КПД в область номинальной подачи, но оптимизирует только геометрические параметры проточных каналов ступеней центробежного насоса.
Наиболее близким аналогом к заявленному способу оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа, выбранным в качестве прототипа, является способ оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса, приведенный в книге: Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1977, с.95-98. Согласно указанному способу весь подвод условно делится на три участка: конфузорный участок, расположенный непосредственно перед входом потока в колесо, спиральный участок подвода от конфузорного участка до переходного сечения и участок от переходного сечения до входного патрубка насоса. В примыкающей к конфузорному участку зоне спирального участка подвода устанавливают «язык», стабилизирующий обтекание вала и препятствующий поступлению жидкости в направлении против вращения рабочего колеса. Форму сечений спирального участка подвода выбирают в зависимости от допустимых габаритов насоса в осевом направлении. Подвод характеризуется расчетным и промежуточными сечениями спирального участка подвода и углом охвата спиральной части подвода. Для того чтобы приступить к расчету и профилированию подвода задают расчетную подачу подвода, средний момент скорости на входе в рабочее колесо, частоту вращения и радиус рабочего колеса, а также закон изменения ширины сечения подвода в зависимости от изменения радиуса сечения подвода. Затем на их основе определяют пропускную способность подвода и профилируют расчетное сечение спиральной части подвода, после чего с учетом угла охвата спиральной части подвода профилируют промежуточные сечения спиральной части подвода. При этом угол охвата спиральной части подвода (угол установки «языка» к входной скорости потока) составляет в пределе не более 180°, а поперечное сечение «языка» близко к постоянному. Более подробно указанный способ будет описан ниже. Предлагаемый способ позволяет в значительной степени оптимизировать геометрические параметры бокового полуспирального подвода центробежного насоса, однако при этом имеет место достаточно неравномерное распределение скоростей перекачиваемой жидкости и их моментов на входе в рабочее колесо, особенно при больших подачах насоса, вследствие разного характера течения жидкости в спиральном участке и входном канале подвода, что приводит к снижению КПД насоса и ухудшению его кавитационных качеств.
Задачей изобретения является повышение равномерности распределения скоростей перекачиваемой жидкости и их моментов и снижение вихреобразования в подводе на входе в рабочее колесо, что приводит к повышению КПД насоса и улучшению его кавитационных характеристик.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа, состоящего из входного канала, спиральной части, конфузорного участка перед входом потока в рабочее колесо насоса и перегородки - «языка» подвода, разделяющего потоки жидкости, идущие через входной канал и спиральную часть подвода, и характеризующегося расчетным и промежуточными сечениями спиральной части подвода и углом охвата спиральной части подвода, при котором задают расчетную подачу подвода, средний момент скорости на входе в рабочее колесо, частоту вращения и радиус рабочего колеса, а также закон изменения ширины сечения подвода в зависимости от изменения радиуса сечения подвода, на их основе определяют пропускную способность подвода и профилируют расчетное сечение спиральной части подвода, после чего с учетом угла охвата спиральной части подвода профилируют промежуточные сечения спиральной части подвода, новым является то, что полученные на основании исходных данных параметры ширины расчетного и промежуточных сечений спиральной части подвода уменьшают на 15-20%, выходной радиус рабочего колеса насоса увеличивают на величину до 1%, угол охвата спиральной части подвода увеличивают до 200…210° и изменяют форму поперечного сечения «языка», выполняя его плавно сужающимся от периферии к центру рабочего колеса и конфузорного участка подвода.
Уменьшение пропускной способности подвода за счет уменьшения на 15-20% ширины расчетного и промежуточных сечений спиральной части подвода соответственно увеличивает окружную скорость потока на входе в рабочее колесо и улучшает равномерность потока жидкости на входе в колесо и кавитационные качества колеса и насоса.
Увеличение выходного радиуса рабочего колеса насоса на величину до 1% компенсирует снижение напора насоса при уменьшении на 15-20% пропускной способности подвода.
Увеличение охвата спиральной части подвода до 200…210° и изменение формы поперечного сечения «языка», выполненного плавно сужающимся от периферии к центру рабочего колеса и конфузорного участка подвода, улучшает равномерность входа потока в рабочее колесо и снижает потери энергии в подводе.
Сущность настоящего изобретения иллюстрируется следующими чертежами.
Фиг.1 - внешний вид модернизированного нефтяного насоса двухстороннего входа типа НМ с оптимизированным боковым полуспиральным подводом;
Фиг.2 - схематичная 3-D модель боковых полуспиральных подводов и спирального отвода центробежного насоса двухстороннего входа;
Фиг.3 - схема полуспирального подвода;
Фиг.4 - расчетное сечение полуспирального подвода;
Фиг.5 - расчетные последние сечения известного (прототип) и предлагаемого полуспирального подвода;
Фиг.6 - векторные планы скоростей потоков перекачиваемой жидкости на входе в рабочее колесо известного и предлагаемого полуспирального подвода;
Фиг.7 - схема подвода с углом охвата спиральной части 180°;
Фиг.8 - схема подвода с углом охвата спиральной части 210°;
Фиг.9 - расчет полей скоростей течения потока жидкости на входе в рабочее колесо в известном подводе (распределение модуля скорости в известном подводе);
Фиг.10 - расчет полей скоростей течения потока жидкости на входе в рабочее колесо в предлагаемом подводе (распределение модуля скорости в предлагаемом подводе).
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием операций оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа, раскрытых в кн.: Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1977, стр.95-98 (прототип), с внесением соответствующих изменений и добавлений. Общий вид центробежного насоса двухстороннего входа и схематичная 3-D модель боковых полуспиральных подводов и спирального отвода центробежного насоса двухстороннего входа представлены на Фиг.1, 2. Боковой полуспиральный подвод 9 центробежного насоса, как было отмечено выше, состоит из входного канала 10 (участок от входного патрубка 11 до сечения G-H), спиральной части 12 (участок подвода от 1-8 до переходного сечения G-H), конфузорного участка 13 (входной горловины или воронки), расположенного непосредственно перед входом потока в рабочее колесо насоса 14, и перегородки - «языка» 15 подвода, разделяющего потоки жидкости, идущие через входной канал 10 и спиральную часть подвода 12 (Фиг.3). «Язык» 15 обычно устанавливают в сечении 0, расположенным под углом 45° к направлению потока, но при необходимости его можно переместить в сечение 2, т.е. установить под углом 90° к направлению входной скорости потока без существенного изменения характеристик и КПД насоса. Дальнейшего смещения языка не рекомендуется. Такие устройства подвода жидкости позволяют организовать циркуляционное обтекание проходного вала насоса и снизить тем самым потери на вихреобразование на входе в рабочее колесо насоса.
3
8
Профилирование подвода осуществляют посредством определения геометрических параметров последнего и промежуточного сечений спирального участка подвода. В качестве последнего сечения спирального участка подвода выбирают сечение 8 (Фиг.3). Для того чтобы приступить к расчету и профилированию полуспирального подвода, необходимо выбрать конструктивную схему насоса и задать параметры Q, H, n, где: Q - подача насоса, м/с; Н - напор насоса, м; n - частота вращения рабочего колеса, об/мин и R - радиус входа в подвод, м. Затем определяют пропускную способность подвода для расчетного сечения спирального участка подвода (сечение A), м, используя для этого формулу:
где:
p
K=1,6…3,0 - коэффициент, полученный по экспериментальным данным.
Для колес с двусторонним входом:
При этом распределение скоростей в сечениях 1-8 принимается исходя из того, что момент скорости:
u
Vr=const
где:
u
V - окружная скорость на входе в колесо, м/с;
r - радиус сечения, м.
Тогда пропускная способность сечения (Фиг.4):
где:
b - ширина сечения, м;
8max
r - максимальный радиус расчетного сечения, м;
0
r - радиус выхода из подвода, м.
i
bi=f(ri) - закон изменения b, определяется по известным конструкциям насосов.
Затем уменьшают параметры ширины последнего и промежуточных сечений спиральной части подвода на 15-20% (Фиг.5), тогда
где:
П
К=0,8…0,85 - поправочный коэффициент.
Соответственно
Профилирование промежуточных сечений спиральной части подвода осуществляют на основе соотношения:
где:
pi
A - пропускная способность подвода для расчетного сечения спирального участка подвода для колес с двусторонним входом, м;
imax
r - максимальный радиус расчетного сечения, м;
Промежуточные сечения i спирального участка подвода строятся так, чтобы пропускная способность убывала пропорционально углу расположения сечения в плане
где:
i
φ - угол расположения сечения (отсчитывается от языка), град;
8
φ - угол расположения расчетного сечения спирального участка подвода (отсчитывается от языка), град.
0
i
i
Контуры подвода, осевые размеры b и закон изменения b=f(r) выбирают по выполненным конструкциям насоса. Затем осуществляют графическое построение спиральной части насоса.
При этом выходной радиус рабочего колеса насоса увеличивают на величину до 1%, угол охвата спиральной части подвода увеличивают до 200…210° и изменяют форму поперечного сечения «языка», выполняя его плавно сужающимся от периферии к центру рабочего колеса и конфузорного участка подвода.
При построении сечений проточной части полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа можно использовать методы 3-D моделирования, в частности кривые Безье, см., например: Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики. М.: Мир, 2001.
Преимущества предложенного технического решения подтверждаются анализом векторных планов скоростей потоков перекачиваемой жидкости на входе в рабочее колесо известного и предлагаемого полуспирального подвода, Фиг.6, где:
1
1
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mo>′</mo></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mo>′</mo></msup></mrow>
V,
- абсолютная скорость потока на входе в рабочее колесо (V - прототип,
- предлагаемый подвод), м/с;
u1
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>u</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msup><mrow /><mo>′</mo></msup></mrow>
V,
- окружная составляющая абсолютной скорости потока на входе в рабочее колесо, м/с;
u
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>u</mi></msub><msup><mrow /><mo>′</mo></msup></mrow>
V,
- радиальная составляющая скорости потока на входе в рабочее колесо, м/с;
1
<mrow><msub><mi>W</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mo>′</mo></msup></mrow>
W,
- относительная скорость потока на входе в рабочее колесо, м/с;
1
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mo>′</mo></msup></mrow>
U,
- переносная скорость потока на входе в рабочее колесо, м/с.
Согласно уравнению Эйлера из теории лопастных гидромашин удельная работа лопастного колеса равна
где:
ω - угловая скорость вращения лопастного колеса;
g - ускорение свободного падения;
1
R - радиус входа в рабочее колесо;
2
R - радиус выхода из рабочего колеса;
u1
V - окружная составляющая скорости на входе в рабочее колесо;
u2
V - окружная составляющая скорости на выходе из рабочего колеса.
u1
u1
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>u</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msup><mrow /><mo>′</mo></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>u</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msup><mrow /><mo>′</mo></msup><mo>></mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>u</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>u</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msup><mrow /><mo>′</mo></msup></mrow>
3
2
2
Исходя из данного уравнения увеличивая V окружную составляющую скорости потока на входе в рабочее колесо в предлагаемом подводе (за счет уменьшения пропускной способности расчетного и промежуточных сечений подвода, Фиг.5) одновременно немного снижается напор насоса. Однако, как известно из теории лопастных гидромашин, также следует учитывать, что напор насоса зависит от окружной скорости на входе линейно, а от радиуса колеса на выходе зависимость квадратичная. Поэтому небольшое (по расчетам менее 1%) увеличение выходного радиуса рабочего колеса может компенсировать снижение напора колеса, произошедшее вследствие изменения геометрии конструкции подводящего устройства. На Фиг.5 на примере расчетного последнего сечения спирального участка подвода показано уменьшение указанного сечения 16 в предлагаемом подводе по сравнению с сечением 17 подвода прототипа, а на Фиг.6 на векторных планах скоростей потоков показано соответствующее увеличение окружной составляющей абсолютной скорости потока на входе в рабочее колесо
в предлагаемом подводе по сравнению с окружной составляющей абсолютной скорости на входе в рабочее колесо V подвода прототипа, при котором
. Увеличение
улучшает равномерность потока жидкости на входе в рабочее колесо и кавитационные качества колеса и насоса. На Фиг.7, 8 представлены схемы подвода с углом охвата спиральной части 180° (геометрия подвода прототипа) и углом охвата спиральной части 210° (геометрия предлагаемого подвода) и с разными формами языка 15. Данные выводы подтверждаются результатами расчетного моделирования в компьютерном пакете STAR ССМ+ течения жидкости в конфузорных участках 13 предлагаемого подвода и подвода прототипа. Моделировалось течение жидкости в полуспиральных подводах нефтяного магистрального насоса типа НМ 3600-230 (подача 3600 м/с, напор 230 м, частота вращения вала 3000 об/мин). Степень равномерности моментов скорости потоков жидкости можно визуально оценить по степени однородности цветовых оттенков компьютерных рисунков на Фиг.9, 10. Чем равномернее распределение моментов скоростей, тем однороднее оттенок полученного рисунка. При этом в числовых данных среднее значение момента скорости жидкости на выходе из подвода прототипа составило 0,6 м/с, а относительное среднеквадратичное отклонение момента скорости около 40%, для предлагаемого в результате оптимизации подвода те же величины составили 1,41 м/с и 10%, т.е. степень равномерности момента скорости увеличивается в среднем в 4 раза, а величина скорости момента более чем в 2 раза.
Предлагаемое изобретение практически использовано в рамках проекта ООО «НКМЗ» инновационной модернизации магистральных нефтяных насосов серии НМ (Фиг.1).
Таким образом, предлагаемый способ оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа позволяет получить гораздо более равномерное распределение скоростей и их моментов на выходе из подвода в колесо, что улучшает условия входа жидкости в рабочее колесо и снижает потери энергии в подводе, вследствие чего повышается КПД насоса (ориентировочно на 1%, что для нефтяных насосов является достаточно значимой величиной) и улучшаются его кавитационные свойства.