Разработка метода оптимального проектирования отводящего устройства нефтяного магистрального насоса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат технических наук Ломакин, Владимир Олегович

• Ломакин, Владимир Олегович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ломакин, Владимир Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОТВОДЯЩИХ УСТРОЙСТВ НЕФТЯНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ НАСОСОВ. ОБЗОР РАБОТ, ПОСВЯЩЕННЫХ ДАННОЙ ТЕМЕ.

1.1 Постановка задачи.

1.2 Проблемы, возникающие при выполнении поставленной задачи.

1.3 Обзор работ посвященных данной тематике.

1.4 Классические методики построения спиральных отводящих устройств центробежных насосов.

1.5 Обзор методов автоматизации построения моделей отводящих устройств центробежных насосов.

1.6 Обзор методов гидродинамического моделирования и оптимизации конструкции отводящих устройств центробежных насосов.

1.7 Нагрузки на роторе центробежных насосов.

ГЛАВА 2. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПОСТРОЕНИЕ ЗВ МОДЕЛИ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ДВУХЗАВИТКОВОГО СПИРАЛЬНОГО ОТВОДА НЕФТЯНОГО МАГИСТРАЛЬНОГО НАСОСА.

ГЛАВА 3. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТВОДЯЩЕГО УСТРОЙСТВА НЕФТЯНОГО МАГИСТРАЛЬНОГО НАСОСА.

1.1 Постановка задачи гидродинамического моделирования.

1.2 Предварительный анализ течения в отводе.

1.3 Оптимизация проточной части отвода насоса типа НМ.

1.3.1 Оптимизация параметров насоса НМ3600-230.

1.3.2 Оптимизация параметров насоса НМ7000-210.

1.3.3 Оптимизация параметров насоса НМ10000-210.

1.3.4 Численное моделирование отводящего устройства насоса НМ3600-230 при отличных от номинальной подачах насоса.

1.3.5 Выводы по результатам оптимизации отводящих устройств насосов типа НМ трех типоразмеров.

ГЛАВА 4. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА.

ГЛАВА 5. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ МАКЕТА И ИХ РЕЗУЛЬТАТЫ

5.1 Методика проведения испытаний.

5.2 Определение величин погрешностей экспериментальных данных.

5.2.1 Погрешность измерения частоты вращения вала насоса.

5.2.2 Погрешность измерения подачи насоса.

5.2.3 Погрешность измерения давления на всасывании и нагнетании.

5.2.4 Погрешность измерения напора насоса.

5.2.5 Погрешность определения момента на валу насоса.

5.2.6 Погрешность измерения давления в точках проточной части насоса.

5.3 Испытания макета насоса НМ2500-230.

5.4 Испытания макета насоса НМ5000-210.

5.5 Испытания макета насоса НМ3600-230.

5.6 Испытания макета насоса НМ7000-210.

ГЛАВА 6. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ МАКЕТОВ НАСОСОВ И ВЕРИФИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПУТЕМ СРАВНЕНИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ПОЛУЧЕННЫХ ВЕЛИЧИН С РАСЧЕТНЫМИ.

6.1 Сравнение интегральных характеристик, полученных при испытании макетов насосов НМ2500-230, НМ3600-230 и НМ5000-210 с результатами численной модели.

6.1.1 Постановка задачи численного моделирования.

6.1.2 Сравнение расчетных интегральных характеристик насоса МНМ2500-230 с экспериментальными.

6.1.3 Сравнение расчетных интегральных характеристик насоса МНМЗ600-230 с экспериментальными.

6.1.4 Сравнение расчетных интегральных характеристик насоса МНМ5000-210 с экспериментальными.

6.1.5 Сравнение расчетных и измеренных значений давлений в различных точках проточной части насоса МНМ7000-210.

6.1.6 Выводы по результатам верификации численной модели.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода оптимального проектирования отводящего устройства нефтяного магистрального насоса»

В настоящее время при проектировании проточных частей насосных агрегатов возникает множество проблем, связанных с постоянно ужесточающимися требованиями к их характеристикам. Особенно важными сейчас являются требования к энергоэффективности и надежности оборудования. В рамках всей страны реализуется программа повышения энергоэффективности промышленности, а насосное оборудование потребляет около 25% производимой электроэнергии. В суммарной стоимости жизненного цикла насосов затраты на электроэнергию составляют до 80%,.

Нефтяные магистральные насосы - это оборудование большой мощности, что приводит к значительной экономии энергии при даже незначительном увеличении КПД насоса на 1 -2%. Высокие требования к надежности объясняются большими экономическими потерями при простое оборудования. Потребность увеличивать периоды межремонтного обслуживания оборудования, а также срок службы в целом приводит к необходимости по возможности уменьшать нагрузки на элементы конструкции, в том числе и нагрузки гидромеханического характера.

В целом возникает необходимость создания методики проектирования, основанной на последних достижениях в САПР технологиях, вычислительной гидромеханике и технологии изготовления опытных образцов, которая позволит в сжатые сроки выполнять весь комплекс исследовательских и конструкторских работ по созданию проточных частей насосных агрегатов.

Как показывают многочисленные эксперименты и расчеты, описанные в литературе, отводящее устройство насоса играет существенную роль в суммарных потерях энергии при протекании жидкости через насос, а неравномерность распределения давления на входе в отводящее устройство приводит к появлению значительной радиальной нагрузки на роторе насосного агрегата, что снижает ресурс работы элементов конструкции. Поэтому в качестве объекта исследования в настоящей работе выбрана проточная часть именно отводящего устройства насоса типа НМ.

Целью исследования является разработка метода проектирования двухзавиткового отводящего устройства, оптимального по нескольким критериям.

Для достижения поставленной в диссертационной работе цели необходимо решить ряд задач:

1) Разработка метода параметризации и автоматического построения геометрической формы отводящего устройства.

2) Выбор параметров и разработка методики многокритериальной оптимизации отводящего устройства.

3) Разработка методики численного расчета геометрической формы отводящего устройства с заданным набором параметров.

4) Создание экспериментального стенда, позволяющего измерять интегральные (подачу, напор, момент на валу, КПД) и локальные (распределение давления в проточной части) характеристики насоса.

5) Верификация результатов численного моделирования на экспериментальном стенде путем сравнения интегральных и локальных характеристик, полученных методами численного моделирования.

Использовались следующие методы исследования:

1) Математическое моделирование гидродинамических процессов.

2) Автоматизированное ЗЭ-моделирование с использованием объектно-ориентированных языков программирования.

3) Математические методы поиска оптимальных решений.

4) Комплексная верификация результатов численного моделирования. Данные, полученные путем численного гидродинамического моделирования, подтверждены результатами испытаний на стенде. Подтверждение получили не только интегральные характеристики насосных агрегатов, но и локальные значения давления.

В отличие от существующих методик проектирования проточной части отводящих устройств, предлагаемая методика является комплексной, включающей в себя этапы автоматизированного построения ЗЭ моделей проточной части и их оптимизации. Отводы, построенные по данной методике, являются оптимизированными как по потерям энергии, так и по радиальной нагрузке на ротор насоса.

Предлагаемая методика верификации численной модели позволяет сравнивать не только интегральные параметры насоса (напор, подача), но и локальные распределения давлений в проточной части отвода.

Применение разработанной методики в ходе проектирования проточных частей нефтяных магистральных насосов позволяет повысить энергоэффективность и надежность насосных агрегатов, что приведет к существенной экономии электроэнергии и снижению эксплуатационных расходов.

В результате исследования получены рекомендации по оптимальному проектированию отводящих устройств нефтяных магистральных насосов в виде безразмерных соотношений для геометрических параметров проточной части.

Основные результаты работы обсуждались на конференциях и семинарах:

1) Научно-технический семинар кафедры РК5 МГТУ им. Н.Э.Баумана "Проектирование проточных частей насосов типа НМ". Май 2011.

2) 15-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Гидромашины, гидроприводы и гидро- пневмоавтоматика", декабрь 2011

3) Учебно-методическая комиссия по специальности «Гидромеханика, гидромашины и гидро- пневмоавтоматика» на кафедре Э10 МГТУ им. Н.Э.Баумана, сентябрь 2012 г.

Результаты работы были использованы при проектировании отводящих устройств насосов типа НМ, производство которых планируется на

Нефтекамском машиностроительном заводе. На данный момент уже выпущена рабочая документация и подготавливается производство. Имеется акт.

Заключение диссертации по теме «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты», Ломакин, Владимир Олегович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований

1) разработана методика оптимального проектирования отводящих устройств нефтяных магистральных насосов. Методика проектирования во многом автоматизирована и позволяет инженеру вмешиваться в процесс проектирования только на этапах принятия решений о направлении дальнейшего совершенствования геометрической формы.

2) В результате применения предлагаемой методики спроектированы отводящие устройства для модельного ряда насосов типа НМ (НМ1250-260, НМ2500-230, НМ3600-230, НМ5000-210, НМ7000-210, НМ 100000-210).

3) Насосы, отводящие устройства которых при проектировании проточной части прошли все этапы оптимизации (НМ3600, НМ7000) показали при модельных испытаниях значения КПД (82-83%) выше, чем насосы (НМ2500, НМ5000), отводящие устройства которых не прошли этапов оптимизации (7576%).

4) Результаты математического моделирования и эксперимента позволяют сделать вывод, что у насосов с оптимизированной проточной частью отводов радиальная нагрузка на ротор меньше, чем у неоптимизированных (Таблица 48).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы получена методика проектирования отводящих устройств нефтяных магистральных насосов, основанная на применении современных инструментов автоматизированного проектирования и компьютерного моделирования.

Полученные с применением разработанной методики проточные части отводов обладают наименьшим гидравлическим сопротивлением, а распределение давления по периферии рабочего колеса становится максимально симметричным, что приводит к существенному уменьшению радиальной нагрузки.

Насосные агрегаты, оборудованные такими отводящими устройствами обладают повышенной энргоэффективностью и надежностью, что крайне важно для современной промышленности и рынка насосного оборудования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ломакин, Владимир Олегович, 2012 год

1. Пфлейдерер, К. Лопаточные машины для жидкостей и газов / К. Пфлейдерер. М: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, I960. - 684 с.

2. Ломакин, А. А. Центробежные и осевые насосы / А. А. Ломакин М: Машиностроение, 1966. -354 с.

3. Машин, А. Н. Расчет и проектирование спирального отвода и полспирального подвода центробежного насоса: учебное пособие / А. Н. Машин М: МЭИ, 1980.-55 с.

4. Yang, S. Research on Pump Volute Design Method Using CFD / S. Yang, F. Kong, В. Chen // International Journal of Rotating Machinery. 2011. -№5.

5. Степанов, Л. И. Центробежные и осевые насосы / Л. И. Степанов М: Государственное научно-техническое издательство маштностроительной литературы, 1980. - 254 с.

6. Боровский, Б.И. Энергетические параметры и характеристики высокооборотных лопастных насосов / Б.И. Боровский М: Машиностроение, 1989.- 181 с.

7. Лукашевич, В. П. Особенности решения некоторых геометрических процедур при проектировании насосов в системе САПР / В. П. Лукашевич,. Е. И. Купреев // Создание новых высокоэкономичных насосов: сб.тр. М: ВНИИ Гидромаш, 1983. - С. 21-24

8. Лукашевич, В. П. Система автоматизированного проектирования проточных частей насосов. / В. П. Лукашевич // Создание новых высокоэкономичных насосов : сб.тр. М: ВНИИ Гидромаш, 1981. - С. 18-21

9. Устиловский, Р. В. Интерактивная система автоматизированного проектирования отводов динамических насосов с графическим диалогом. / Р. В. Устиловский // Насосы для технологических линий. : сб.тр. М: ВНИИ Гидромаш, 1987. - с. 34-41

10. Ю.Байбаков, О.В. Применение ЭВМ в расчетах проточной полости лопастных гидромашин: учебное пособие / О.В. Байбаков М: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1982.-65 с.

11. Панаиотти, С.С. Автоматизированное проектирование гидромашин: учебное пособие / С.С. Панаиотти Москва: М: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - 24 с.

12. Руководство пользователя CFTurbo. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.cfturbo.de/en/home-enO.html. Дата посещения: 27 01 2012 г.

13. Щуцкий, С.Ю. Оценка гидравлических показателей и проектирование многоступенчатых насосов на основе квазитрехмерных методов: автореф. дисс. канд. тех. наук: 05.04.13 / Щуцкий Сергей Юрьевич СПб., - 2011. - 17 с.

14. Жарковский, A.A. Численное исследование вязкого течения жидкости в рабочем колесе насоса / A.A. Жарковский, А.Ю.Постепов // Международная научно-техническая конференция PCVEXPO 2005. сб. тр. научн. конф. М: МГТУ им. Н.Э.Баумана, - 2009. - С. 17-18.

15. Сазонов, Ю.А. Компьютерное моделирование и развитие методологии конструирования динамических насосов и машин / Ю.А. Сазонов, В.В. Муленко, А. Ю. Балака // Территория нефтегаз. 2011. - №10. - С. 9-10.

16. Харчук, С.И. Расчет напорной характеристики центробежного насоса численным методом / С.И. Харчук, A.B. Болдырев, С. М. Жижин // Вестник УГАТУ. 2009. - Т. 12,-С. 51-58:

17. Dick, E., Performance prediction of centrifugal pumps with cfd-tools / E Dick, J. Vierendeels // Task quarterly. 2001, - №4. - C. 18-19.

18. Safikhani H. Modeling and Multi-Objective Optimization of Centrifugal Pumps Using CFD. / H. Safikhani, A. Nourbakhsh, A. Khalkhali // Neural Networks. -2010. C. 5.

19. Перевощиков С.И. Разработка научных основ упправления вибрацией гидродинамического происхождения в центробежных насосох магистральных нефтепроводов: дис. док. тех. наук: 05.02.13 / Перевощиков Сергей Иванович.- Тюмень. -2004. 347 с.

20. Шемель В.Б. Исследование радиальных сил в центробежных насосах / В.Б. Шемель, P.M. Агульник // Исследование гидромашин: сб.тр. ВНИИ Гидромаш- М: Машгиз, 1959. С. 26-37

21. Роджерс Д. Матеметические основы машинной графики. / Д. Роджерс, Дж. Адаме. -М: Мир, 2001. 356 с.

22. Корнейчук, Н.П., Бабенко, В.Ф., Лигун А.А. Экстремальные свойства полиномов и сплайнов / Н.П. Корнейчук, В.Ф. Бабенко, А.А. Лигун. -Киев: Наукова думка, 1992. 304 с.

23. Руководство пользователя. STAR ССМ 6.02 UserGuide Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.saec.ru. (24.09.2012).

24. Патанкар, С. Численные мтоды решения задач теплообмна и динамики жидкости / С. Патанкар. -М: Энергоатомиздат, 1984. 124.с.

25. Андерсон Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Д. Андерсон, Дж. Таннехил, Р. Плетчер. -М: Мир, 1990. 384 с.

26. Белов И.А. Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие / И.А Белов, С.А. Исаев -СПб: Балтийский государственный технический университет "Военмех", 2001. 108 с.

27. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло / И.М Соболь. -М: Наука, 1973. -311с.

28. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач. / под. ред. С.С Руднева. -М: Машиностроение, 1974. 75 с.

29. Яременко О.В. Испытания насосов / О.В. Яременко. -М: Машиностроение, 1976.-225 с.

30. Гарбарук A.B. Моделирование турбулентности Электронный ресурс. / A.B. Гарбарук // Преподаватель он-лайн. Режим доступа: http://agarbaruk.professorjournal.ru.

31. Ломакин В.О. Численное моделирование проточных частей макетов насосов и верификация результатов моделирования путем сравнения экспериментально полученных величин с расчетными Электронный ресурс. / В.О. Ломакин,

32. A.И. Петров // Научн. техн. журн. Наука и Образование. 2012. - №5. - Режим доступа http://technomag.edu.ru/index.html. (24.09.2012)

33. Ломакин В.О. Определение влияния основных геометрических параметров отвода насоса НМ 10000-210 на его характеристики Электронный ресурс. /

34. B.О. Ломакин, А.В Артемов., А.И. Петров // Научн. техн. журн. Наука и Образование. 2012. - №8. - Режим доступа http://technomag.edu.ru/index.html. (24.09.2012)

35. Ломакин В.О. Разработка бокового полуспирального подвода с увеличенным моментом скорости жидкости на входе в рабочее колесо / В.О. Ломакин, А.И. Петров, П.В Щербачев // Известия высших учебных заведений машиностроение -М: Спецвыпуск. - 2012. - С. 3-6.