Технология проектирования высоконапорных насосов

В насосостроении существует одно замечательное определение, от которого полностью зависит подбор типа насоса и конструкции его проточной части, - коэффициент быстроходности. – Что же это такое, и как понимать данный термин?

Фактически, коэффициент быстроходности является критерием геометрического подобия. Его физический смысл заключается в следующем. Это частота вращения подобного насоса, который перекачивает чистую воду с максимальным к.п.д., создает напор равный Н = 1 м водяного столба, и потребляет мощность N = 1 лошадиная сила, а его подача (расход) жидкости составляет Q = 0,075 м³/с (270 м³/час).

Стоит отметить, что в зарубежной практике вместо понятия «коэффициент быстроходности» используется дефиниция «удельная быстроходность». В сущности, это почти одно и то же, но в формуле отсутствует коэффициент 3,65, как результат приведения расчетов к метрической системе измерения. В таком случае подача подобного насоса принимается равной Q = 1 м³/с (3600 м³/час).

В зависимости от коэффициента быстроходности при проектировании выбирается одна из следующих конструктивных схем проточных частей насосов: n_s = 35-80 – центробежный насос с тихоходным рабочим колесом, n_s = 80-140 – центробежный насос с так называемым нормальным рабочим колесом, n_s = 140-300 – центробежный насос с быстроходным рабочим колесом, n_s = 300-600 – диагональный насос, n_s =600-1800 – осевой насос.

Что же следует понимать под определением высоконапорный? – Это такие параметры насоса, которые позволяют достигать высоких значений к.п.д. насоса при экстремально низких значениях коэффициента быстроходности n_s. В сфере насосостроения бытует мнение, что «если коэффициент быстроходности насоса n_s = 30, то и к.п.д. насоса также будет равен 30... Процентов» (с). Отчасти это шутка, но тенденции очевидны. Пиковое значение к.п.д. лопастных насосов достигается при значении коэффициента быстроходности n_s = 140-170, и снижается по мере уменьшения данного параметра. При этом, конструирование насосов по стандартным методикам проектирования их проточных частей становится нерациональным уже при значении n_s = 60-65. В таком случае рекомендуется увеличить частоту вращения насоса для обеспечения повышения данного коэффициента.

Наши специалисты достигли значительных успехов при проектировании высоконапорных насосов, чему подтверждением является патент Украины на конструкцию тихоходного рабочего колеса центробежного насоса с повышенными напорными качествами.

Итак, почему же именно наша технология позволяет достигать тех параметров, с которыми не справляются стандартные методики проектирования?

Рассмотрим основное уравнение лопастных гидромашин:

где ω – угловая скорость вращения рабочего колеса насоса (1/с), g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения на планете Земля (фактически слабо изменяется по направлению от экватора до полюсов), v_u2 и v_u2 – окружная составляющая абсолютной скорости потока на входе и выходе из рабочего колеса, R₁ и R₂ – соответственно радиусы рабочего колеса на входе и выходе

Исходя из этого, не сложно предположить, что достигнуть повышения напорности насоса возможно одним из следующих способов: 1 – повышением частоты вращения насоса n (ω=πn/30), 2 – увеличением внешнего радиуса рабочего колеса R₂, 3 – уменьшением внутреннего радиуса рабочего колеса R₁, 4 – Влиянием на конструкцию лопастной решетки рабочего колеса, что повлияет на значение параметров v_u2 и v_u1.

Рассмотрим каждый из способов отдельно.

1. Повышение частоты вращения насоса n достигается путем использования частотного преобразователя, или заменой привода насоса. Оба варианта очень дорогие, а в случае увеличения частоты вращения n > 3000 об/мин кроме того могут приводить к работе насоса на критических частотах вращения, когда его вал переходит из состояния «жесткого вала» к так называемому состоянию «гибкого вала». В свою очередь это может приводить к катастрофическим последствиям, вплоть до разрушения насосного агрегата.

2. Увеличение внешнего радиуса рабочего колеса R₂ будет приводить к увеличению радиального габаритного размера всего насоса. В связи с этим, в подавляющем большинстве случаев модернизация насосов таким способом с целью повышения напорности приведет к необходимости полной замены насоса, а возможно и насосного агрегата в целом. Это еще более дорогой и непрактичный вариант.

3. Уменьшение внутреннего радиуса рабочего колеса R₁ фактически очень слабо влияет на его напорность, поскольку в основном уравнении лопастных гидромашин этот параметр умножается на значение окружной составляющей абсолютной скорости на входе в рабочее колесо v_u1, а значение внешнего радиуса – на значение окружной составляющей абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса v_u2. В центробежных насосах значение v_u2 всегда значительно выше, чем v_u1, поэтому влияние изменения внешнего радиуса всегда будет значительно выше, чем внутреннего радиуса рабочего колеса. Кроме того, это будет приводить к уменьшению радиуса вала насоса, а, следовательно, к ухудшению его прочностных показателей. Таким образом, этот путь наименее реализуем на практике вообще.

4. Изменение конструкции лопастной решетки рабочего колеса. И этот путь позволяет значительно повышать напорность насоса при достижении высоких значений его к.п.д. Результаты нашей деятельности показывают, что таким образом возможно достигнуть повышения напора насоса до 15-25 % без увеличения его радиального размера (внешний радиус R₂, диаметр рабочего колеса D₂).

Конструкция лопастной решетки рабочего колеса, разработанной согласно нашей технологии, в частности позволила достигнуть повышения напора насосов типа ЦНС 180 до 20% по сравнению со стандартной, что подтверждено расчетным и экспериментальным путем с использованием экспериментального стенда технопарка кафедры Прикладной гидроаэромеханики (ранее Гидравлических машин) Сумского государственного университета.

Таким образом, при проектировании насосного оборудования наша технология позволяет разрабатывать высоконапорные сменные проточные части для центробежных насосов с повышением напора до 15-25 % без необходимости замены прочих корпусных и роторных деталей. В таком случае заменяется лишь рабочее колесо и отводящее устройство (направляющий аппарат).

Насосы ЦНС наиболее часто используются для создания и поддержания пластового давления.

Эксплуатация нефтяных месторождений характеризуется так называемым коэффициентом использования нефти (КИН), который является отношением нефти, которую возможно добыть из пласта к общему объему нефти в нем.

Использование насосов в системах поддержания пластового давления – это так называемый вторичный метод нефтедобычи. Он позволяет извлекать до 35-45% нефти из нефтяного пласта. Использование насосов ЦНС, разработанных по нашей инновационной технологии может обеспечить увеличение КИН при разработке и эксплуатации нефтяных месторождений.

Поскольку насосы в таком случае применяются для перекачивания агрессивных сред (техническая вода с большим количеством абразивных включений), их проточная часть (рабочее колесо, направляющий аппарат) поддаются стремительному интенсивному износу. В среднем эти элементы требуют замены с частотой 1 раз в 1-3 месяца. Таким образом, модернизация насосов ЦНС для повышения их напора, возможна в качестве планового ремонта. В этом случае она вообще не требует дополнительных капиталовложений.

Таким образом, мы предлагаем Вам возможность повысить КИН в нефтяных месторождениях без каких-либо дополнительных капиталовложений, и только наша организация может это осуществить!

Спасибо за интерес к нашей работе, и будем рады сотрудничеству!