image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 10 2017

Насосы. Компрессоры

01.10.2017 10:00 Исследование гибридного роторного насоса
Добыча высоковязкой нефти является актуальной задачей для России и других стран. Однако мировой объем добычи высоковязкой нефти пока незначителен, что связано с недостаточным развитием технологий освоения подобных залежей. Винтовые насосы на сегодняшний день остаются основным видом оборудования для добычи высоковязкой нефти, но они имеют ряд недостатков, ограничивающих область их применения. Другие технические решения по насосному оборудованию для добычи вязкой нефти пока не получили широкого распространения. В связи с этим видятся перспективными работы по исследованию рабочих процессов гибридного роторного насоса, отличающегося технологичностью и простотой конструкции. В статье рассмотрены вопросы изучения гибридного роторного насоса, оснащенного угловыми вкладышами. Представлена конструкция гибридного насоса с угловыми вкладышами. Разработана математическая модель для оценки гидравлических сопротивлений в рабочих камерах гибридного роторного насоса и выполнены аналогичные расчеты при помощи трехмерного моделирования. Расчеты показали, что эффективность работы гидравлической машины может быть повышена при снижении перепада давления в рабочих камерах за счет выполнения разгрузочных канавок на роторе. При помощи 3D-прототипирования и современных технологий, таких как лазерная резка, были изготовлены микромодели различных конструктивных исполнений гибридного насоса и проведен ряд лабораторных исследований. Впервые получены напорные характеристики для исполнений гибридного роторного насоса с угловыми вкладышами. При испытаниях на вязкой среде на лабораторном стенде насос с пластиковыми рабочими органами сохранял свою работоспособность при перепаде давления 0,6 МПа в расчете на одну рабочую камеру. На основе проведенных численных экспериментов и результатов стендовых испытаний определена оптимальная зона конструктивных параметров гибридного роторного насоса и подобраны оптимальные соотношения геометрических размеров рабочей камеры.
Ключевые слова: роторный насос, добыча нефти, математическая модель, трехмерная модель, численный эксперимент, физический эксперимент, экспериментальный образец.
Ссылка для цитирования: Сазонов Ю.А., Франков М.А., Иванов Д.Ю. Исследование гибридного роторного насоса // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 10. С. 68–72.
Открыть PDF


На сегодняшний день мировой объем добычи высоковязкой нефти остается незначительным, что связано с недостаточным развитием технологий освоения подобных залежей. Основным оборудованием для добычи высоковязкой нефти остаются винтовые насосы, однако они имеют ряд недостатков, которые ограничивают область их применения. К числу таких недостатков относятся, в частности, необходимость подбора эластомера статора для жидкости конкретной скважины, высокая виброактивность ротора, сложность изготовления и обработки винтовых поверхностей деталей насоса. Другие технические решения по насосному оборудованию для добычи вязкой нефти, такие как героторные [1] и роторно-пластинчатые насосы [2], пока не получили широкого распространения.

1.png

В связи с этим перспективными видятся работы, направленные на исследование рабочих процессов гибридного роторного насоса. Гибридный насос [3–7] сочетает в себе положительные качества различных роторных насосов, таких как винтовой и шиберный насосы. Такой гибридный насос может перекачивать высоковязкие жидкости и имеет ряд преимуществ: отсутствие вибраций ротора при работе насоса, все рабочие поверхности выполнены технологически простыми (это цилиндрические и плоские поверхности). Гибридный роторный насос является обратимой гидравлической машиной, что также открывает возможность для его использования в качестве гидравлического забойного двигателя. На данный момент исследования гибридной роторной гидравлической машины находятся на начальном этапе. Целью исследовательских работ является изучение гибридного роторного насоса, оснащенного угловыми вкладышами, выполняющими функции замыкателей, которые разделяют рабочие камеры, установленные последовательно.

Конструкция гидравлической машины с угловыми вкладышами [6] представлена на рис. 1 и 2.

1_1.png

Гидравлическая машина [6] работает в режиме насоса следующим образом. От вала двигателя (на рисунках двигатель не показан) механическая энергия передается на ротор 5, установленный на опорах 6, 7 и 14. При вращении ротора 5 во вращательное движение вовлекается и обойма 4. Обойма 4 выполнена из отдельных секций или угловых вкладышей 12, 13, следующих друг за другом, с возможностью углового смещения отдельных секций 12, 13 друг относительно друга. Каждая секция 13 обоймы 4 оснащена стопорным элементом 11, выполненным на роторе 5. При вращении ротора 5 в спиралевидных камерах 10 обеспечивается силовое воздействие на жидкость, заполняющую полости в камерах 10. Таким образом, формируется поток жидкости в направлении от входа 2 к выходу 3. Щелевые уплотнения 9 уменьшают объемные потери, поскольку ротор 5 размещен вблизи от поверхности расточки 8 корпуса 1 с образованием щелевого уплотнения 9 в зазоре между наружной поверхностью ротора 5 и поверхностью расточки 8 в корпусе 1.
Внутри корпуса 1 следующие друг за другом спиралевидные камеры 10 отделены друг от друга щелевыми уплотнениями 9 и элементами секционной обоймы – секциями 12, 13.

Во всех роторных насосах наблюдается проблема роста гидравлических сопротивлений при увеличении частоты вращения ротора, что снижает их эффективность и ограничивает область применения. В ходе проведенной исследовательской работы была разработана математическая модель для оценки гидравлических сопротивлений в рабочих камерах гибридного роторного насоса. В представленной математической модели рассматривается один угловой вкладыш в процессе поворота ротора на угол от 120 до 0°. На рис. 3 представлена расчетная схема для созданной математической модели.

1_1_1.png

При уменьшении угла поворота ротора площадь серповидного канала 3 уменьшается.

Перепад давления dP в рабочей камере насоса по представленной математической модели определяется следующим образом:

 

dP = kρϑос2/2,                                        (1)

 

ϑос = Qвкл/(Sс + Sщ.к),                      (2)

 

Qвкл = Sрабϑокр,                                 (3)

 

где k – коэффициент гидравлических потерь; ρ – плотность жидкости; ϑос – осевая скорость движения винтовой линии; Qвкл – расход жидкости на выходе из серповидного канала; Sс – площадь серповидного канала; Sщ.к – площадь щелевого канала между статором и ротором; Sраб – площадь рабочей поверхности вкладыша; ϑокр – окружная скорость движения жидкости. На рис. 4 в качестве примера представлены результаты расчета, полученные с применением разработанной математической модели, при различных значениях частоты вращения ротора: nр = 587 об/мин; nр = 1631 об/мин; nр = 2270 об/мин.

По результатам расчета видно, что на малых углах поворота ротора наблюдается всплеск перепада давления. А с увеличением частоты вращения ротора перепад давления в рабочей камере, соответственно, увеличивается.

1_1_2.png

Аналогичные расчеты были выполнены с использованием пакета программ SolidWorks Flow Simulation, с применением специальных 3D-моделей, имитирующих проточную часть рабочей камеры насоса при различных углах поворота ротора. Для моделирования были выбраны четыре значения угла поворота ротора – 120, 90, 60 и 30°. Отдельные результаты компьютерного моделирования представлены на рис. 5.

Выполненные расчеты показали, что эффективность работы гидравлической машины может быть повышена при снижении перепада давления dP за счет выполнения разгрузочных канавок на роторе (позиция 18 на рис. 1 и 2).

1_1_3.png

В лабораториях РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина был проведен ряд лабораторных исследований с различными исполнениями гибридного роторного насоса. При помощи 3D-прототипирования и современных технологий, таких как лазерная резка, были изготовлены микромодели различных конструктивных исполнений, показанные на рис. 6–8.

1_1_4.png

В ходе лабораторных исследований впервые получены напорные характеристики для исполнений гибридного роторного насоса с угловыми вкладышами. На рис. 9 представлены характеристики насоса, полученные при испытаниях на воде и на вязкой жидкости, в качестве вязкой жидкости использовали индустриальное масло И-40.

При испытаниях на вязкой среде на лабораторном стенде насос с пластиковыми рабочими органами сохранял свою работоспособность при перепаде давления 0,6 МПа в расчете на одну рабочую камеру.

1_1_5.png

Проведенные исследования позволили подготовить первые рекомендации по проектированию гибридных роторных насосов с угловыми вкладышами. Определена оптимальная зона конструктивных параметров гибридного роторного насоса и подобраны оптимальные соотношения: 

e/Dс ≥ 0,1,                                           (4) 

lр.к/Dс ≤ 1,3,                                       (5) 

где e – эксцентриситет насоса; Dс – внутренний диаметр статора, lр.к – длина одной рабочей камеры насоса.

1_1_6.png

По результатам выполненных теоретических и экспериментальных работ сделаны следующие промежуточные выводы. Разработаны математические модели и методики расчета, описывающие рабочие процессы гибридного роторного насоса с учетом конструктивных особенностей угловых вкладышей. В ходе стендовых испытаний впервые экспериментально подтверждены обратимость гибридной роторной гидравлической машины с угловыми вкладышами и возможность ее работы в следующих режимах: работа в режиме насоса объемного типа, работа в режиме насоса динамического типа, работа в режиме объемного гидравлического двигателя. На основе проведенных численных экспериментов и результатов стендовых испытаний определена оптимальная зона конструктивных параметров гибридного роторного насоса и подобраны оптимальные соотношения геометрических размеров рабочей камеры.

1_1_7.png



← Назад к списку


im - научные статьи.