Скважинные насосы с диагональными проточными частями

ОАО «Группа ГМС» (г. Москва) - ведущий производитель традиционных скважинных насосов типа ЭЦВ и новой серии погружных насосов Ciris. Чтобы производить востребованную продукцию в современных условиях, предприятия Группы ГМС проводят систематическую работу по повышению технического уровня вы пускаемых изделий, в короткие сроки создавая насосное оборудование, отвечающее самым последним техническим требованиям.

Одним из таких примеров может служить разработка для выпускаемых насосов Ciris (рис. 1) диагональных проточных частей (ПЧ) с повышенным напором ступени, которая является продолжением работ по проектированию насосов типа ЭЦВ в рамках модернизации скважинных насосных агрегатов для подъема воды.

Не секрет, что насосы ЭЦВ представляют один из самых распространенных типов скважинного насосного оборудования, выпускаемого разными отечественными и импортными производителями.

Теория и практика создания насосного оборудования подтверждают, что при коэффициенте быстроходности ns = 150 - 200 наиболее высоких значений КПД при ограниченном диаметре скважины можно добиться в случае использования проточных частей диагонального типа. В свою очередь, по технологии изготовления диагональный тип ступени более сложный и, соответственно, по цене изготовления – более дорогостоящий. В подходе к проектированию, при котором основным исходным требованием является более низкая величина стоимости жизненного цикла, такой переход оправдан.

Примером реализации данного подхода к проектированию стала разработка проточной части насоса типоразмера 10 - 120, который выпускается с центробежной ступенью.

В качестве исходных данных для проектирования ПЧ насосов были приняты требования к величине напора одной ступени, минимально допустимой величине ее КПД и форме напорной (Q - H) и мощностной (Q - N) характеристик.

Проектирование диагональных ступеней с требуемыми энергетическими характеристиками имеет свои отличия. Трудно учесть особенности полной (3-мерной) картины потока в ПЧ, и не всегда возможно достичь максимальных результатов, применяя общепринятые методики проектирования.

Решение подобных проблем возможно с применением методов компьютерного моделирования. В качестве инструмента решения задачи был использован программный комплекс PumpLinx – специализированный для расчета насосов продукт вычислительной физики общего назначения с полностью адаптивной архитектурой.

Специалисты НИОКР Группы ГМС протестировали программу для разных центробежных ступеней и получили достаточно хорошее совпадение результатов численных экспериментов (ЧЭ) с результатами натурных испытаний.

Проектирование ступеней насосов проводилось по следующему алгоритму:

• На основе традиционных методов, базирующихся на рассмотрении плоского течения жидкости, была получена первоначальная геометрия ПЧ.
• Далее в программном комплексе SolidWorks создана 3D-модель (рис. 2а).
• Полученные данные экспортированы в Pumplinx для проведения численного эксперимента (рис. 2б).
• По результатам, полученным в ЧЭ, проведена оптимизация проточной части для последующей передачи чертежей в производство.

Для ЧЭ была принята модель из двух полных ступеней с осевым подводом и осевым отводом. Так как программный комплекс PumpLinx позволяет строить сетки для ЧЭ быстро и качественно, а также проводить расчет в относительно короткие сроки, расчетная модель была максимально приближенна к реальной. Т. е. были смоделированы пазухи рабочего колеса (РК), зазоры уплотнений рабочих колес, литейные радиусы в РК и направляющего аппарата (НА), задана шероховатость поверхностей (рис. 3).. В дальнейшем при анализе спроектированной ПЧ это дало ряд преимуществ.

При создании новых ПЧ диагональных насосов был проведен ряд ЧЭ с разными вариантами рабочих колес и направляющих аппаратов. В результате проделанной работы спроектированы ПЧ с коэффициентом быстроходности ns = 149 и 175.

Спроектированные проточные части были изготовлены на структурном предприятии Группы ГМС - ОАО "ГМС Насосы" и испытаны на имеющемся испытательном стенде. В результате проведения испытаний насосов с двумя ступенями получены энергетические характеристики, приведенные на рис. 4.

Сравнение ЧЭ с экспериментально полученными энергетическими характеристиками показало их хорошее совпадение даже на малых подачах.

Кроме того, по сравнению с центробежным колесом и радиальным направляющим аппаратом насосных частей аналогичных типоразмеров, величина КПД выше на 4.6 %. На практике это означает значительную экономию потребляемой электроэнергии. Например, для насоса одного из востребованных на рынке типоразмеров: 10 – 120 - 100 (с подачей 120 м3/ч и напором 100 м), - такое увеличение КПД даст возможность добиться снижения потребляемой мощности на 4 кВт, что при работе насоса 18 часов в сутки составит экономию в 26,28 тыс. кВт•ч / год, или 92 тыс. руб (при стоимости электроэнергии 3,50 руб. / кВт/ч).

В результате полученная в денежном выражении экономия сопоставима со среднерыночной стоимостью насоса, что позволяет потребителю получить максимальный эффект при проведении модернизации.