Исследование гибридного роторного насоса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ

УДК 622.276.53

Ю.А. Сазонов1, e-mail:ysaz60@mai1.ru; М.А. Франков1, e-mail: hameieon089@gmaii.com; Д.Ю. Иванов1, e-mail: denis.iv.ur@mai1.ru

1 ФГБОУ ВО «РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).

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 30-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.

Yu. A. Sazonov1, e-mail:ysaz60@mai1.ru; M.A. Frankov1, e-mail: hame1eon089@gmai1.com; D.Yu. Ivanov1, e-mail: denis.iv.ur@mai1.ru

1 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Moscow, Russia).

Investigation of Hybrid Rotary Pump

Production of high viscous oil is crucial task for Russia and other countries. However global oil production is still quite low. One of the reason of low production is the deficient of relevant equipment. The progressive cavity pumps are the main type of equipment for production of high-viscous oil. But they have a number of drawbacks which limits the appliance. Another kinds of pumps equipment are not widespread occurrence.

Thus study of the working process of the Hybrid Rotary Pump is upcoming trend because the Hybrid Rotary Pump possesses such advantages as manufacturability and simple construction.

Issues of the research of the Hybrid Rotary Pump with an angle insert have been studied. The construction of the HRP with the angle insert have been presented. The math model for estimation of the hydraulic resistance in the operating chambers of the Hybrid Rotary Pump was designed. Also the same computations were carried out using three-dimensional simulation. Computations suggest that the running efficiency of the hydraulic machine can be improved. Relief channels of the rotor reduce pressure difference thus the running efficiency of the hydraulic machine is increased. Micromodels of the Hybrid Rotary Pump were manufactured using 3D prototyping technology and laser cutting technology. The laboratory tests of the micromodels were carried out. The vertical lift performance of the Hybrid Rotary Pump with the

68

№ 10 октябрь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

PUMPS. COMPRESSORS

angle inserts was obtained for the first time. The pump with plastic working bodies has saved working capacity with pressure difference 0,6 MPa per one operating chamber during laboratory test on a viscous liquid. Optimal zone of the design factors of the Hybrid Rotary Pump was identified and optimum ratios of the geometric parameters of operating chamber was determined based on computations and the results of the bench tests.

Keywords: rotary pump, oil production, designing, mathematical model, three-dimensional model, numerical experiment, physical experiment, experimental sample.

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. 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.

Рис. 1. Продольный разрез гидравлической машины [6]:

1 - корпус; 2 - вход; 3 - выход; 4 - секционная обойма; 5 - ротор; 6, 7 - опоры; 8 - расточка корпуса; 9 - щелевое уплотнение; 10 - спиралевидная камера;

14 - дополнительная опора; 15 - проточный канал; 16 - фиксатор; 17 - угловой вкладыш; 18 - разгрузочная канавка

Fig. 1. Longitudinal section of the hydraulic engine [6]:

1 - housing; 2 - input; 3 - output; 4 - section holder; 5 - rotor; 6, 7 - supports; 8 - housing boring; 9 - groove seal; 10 - spiral chamber; 14 - additional support;

15 - flow channel; 16 - retainer; 17 - corner insert; 18 - unloading groove

Рис. 2. Ротор со спиралевидной обоймой:

5 - ротор; 6, 7 - опоры; 11 - стопорный элемент; 12,13 - секции обоймы - угловые вкладыши; 14 - дополнительная опора; 15 - проточный канал; 17 - стержень в составе углового вкладыша; 18 - разгрузочная канавка Fig. 2. Rotor with a spiral chase:

5 - rotor; 6, 7 - supports; 11 - retaining element; 12,13 - sections of the chase - corner inserts; 14 - additional support; 15 - flow channel; 17 - the core in the composition of the corner insert; 18 - unloading groove

Ссылка для цитирования (for citation):

Сазонов Ю.А., Франков М.А., Иванов Д.Ю. Исследование гибридного роторного насоса // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 10. С. 68-72. Sazonov Yu. A., Frankov M.A., Ivanov D.Yu. Investigation of Hybrid Rotary Pump (In Russ.). Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 10, P. 68-72.

8

3

7

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 10 october 2017

69

НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ

Рабочая поверхность вкладыша

l вкладыша / Bearing surface

Lenght

of insert .slrf/ffiOy -3

/ /V • Д 1

/ X / JLJ^c f f \v V[ у ]

\ \ J —-2

Рис. 3. Расчетная схема: 1 - ротор; 2 - статор; 3 - серповидный канал Fig. 3. Calculation scheme: 1 - rotor; 2 - stator; 2 - sickle-shaped channel

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 каме-

■з: го =с '-Р

Угол поворота (а), град The angle of the rotor rotation, °

-dP fnpp 587 j -dP {np= 1S31) - |i-p ¿; '0 )

Рис. 4. Зависимость перепада давления в серповидном канале от угла поворота ротора

Fig. 4. Dependence of the differential pressure in the sickle-shaped channel on the angle of the rotor

rotation

рах 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. При уменьшении угла поворота ротора а площадь серповидного канала 3 уменьшается.

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

dP = £рЭос2/2, 9 = Q /(S + S ),

ос вкл' 4 с щ.к''

Q = S А ,

вкл раб окр'

(1) (2) (3)

Рис. 5. Траектории потока жидкости через серповидный канал в 3D-модели с углом поворота ротора 120°

Fig. 5. Fluid flow path through the sickle-shaped channel in a 3D model with a rotor angle of 120°

где к - коэффициент гидравлических потерь; р - плотность жидкости; Эос -осевая скорость движения винтовой линии; 0вкл - расход жидкости на выходе из серповидного канала; 5с - площадь серповидного канала; 5щ к - площадь щелевого канала между статором и ротором; 5раб - площадь рабочей поверхности вкладыша; 9окр - окружная скорость движения жидкости. На рис. 4 в качестве примера представлены результаты расчета, полученные с приме-

70

№ 10 октябрь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

PUMPS. COMPRESSORS

нением разработанной математической модели, при различных значениях частоты вращения ротора: пр = 587 об/мин; пр = 1631 об/мин; пр = 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. Аналогичные расчеты были выполнены с использованием пакета программ SoLidWorks Flow Simulation, с применением специальных BD-моделей, имитирующих проточную часть рабочей

Рис. 6. Микромодель ротора в сборе с угловыми вкладышами Fig. 6. Rotor micromodel assembly with the corner inserts

Рис. 7. Микромодель секционного ротора, секции которого изготовлены при помощи лазерной резки из листового оргстекла

Fig. 7. Micromodel sectional rotor, sections of which are made by laser cutting from sheet plexiglas

Рис. 8. Секции микромодели ротора, изготовленные при помощи лазерной резки из листового оргстекла

Fig. 8. Micromodel sections of the rotor made with laser cutting from sheet plexiglass

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). 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-прототи-пирования и современных технологий, таких как лазерная резка, были изготовлены микромодели различных конструктивных исполнений,показанные на рис. 6-8.

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

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 10 october 2017

71

НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ

-

я "Е S

О QJ

Напорная характеристика (n = 2300 r/min) Vertical lift performance (np = 2300 r/min)

% 60,000

50,COO 40v000

5 ti 30,000

гадоо

mooo

0,000

it

V, V V, J

t ч-\ • a _Ф

L_

• • «

<

0,3

од

0.5

0,6

Давление насоса (Р), МПа Pump pressure, MPa

(M.1) - вода (M.1) - water (m.3) - вода (M.3) - water (M.3) - масло (м.з) - oil

Полиномиальная ((M.1) - вода) Polynomial ((M.1) - water) Полиномиа льная ((M.3) - вода) Polynomial ((M.3) - water) Полиномиальная ((M.3) - масло) Polynomial ((M.3) - oil)

0,7

Рис. 9. Результаты физических экспериментов:

(М.1) - исполнение насоса с секционным ротором; (М.3) - исполнение насоса с цельным ротором Fig. 9. Results of physical experiments:

(M.1) - pump with multisphere rotor; (M.3) - pump with integral rotor

давления 0,6 МПа в расчете на одну рабочую камеру.

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)

1,Л < ^ (5)

где е - эксцентриситет насоса; 0с - внутренний диаметр статора, I - длина одной рабочей камеры насоса. 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 результа-

тов стендовых испытаний определена оптимальная зона конструктивных параметров гибридного роторного насоса и подобраны оптимальные соотношения геометрических размеров рабочей камеры.

References:

1. Patent RF No. 55896. Multistage Rotary Pump. Authors: I.S. Pyatov, V.M. Lysenko. Published on August 27, 2006; bul. No. 24. (In Russian)

2. Patent RF No. 83813. Vane Pump. Authors: I.L. Korobkov, M.L. Korobkov. Published on June 20, 2009; bul. No. 17. (In Russian)

3. Patent RF No. 119042. Screw-Rotor Machine. Authors: Yu.A. Sazonov, V.I. Zayakin, V.V. Mulenko, E.S. Kazakova, T.N. Dimaev, K.I. Klimenko, A.Yu. Balaka. Published on August 10, 2012; bul. No. 22. (In Russian)

4. Patent RF No. 128678. Screw-Rotor Machine. Authors: Yu.A. Sazonov, V.I. Zayakin, V.V. Mulenko, T.N. Dimaev, K.I. Klimenko, A.Yu. Balaka. Published on May 27, 2013; bul. No. 15. (In Russian)

5. Sazonov Yu.A., Mulenko V.V., Balaka A.Yu. Pumps and Hydraulic Motors of Positive Displacement and Dynamic Type for the Oil Industry. Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2011, No. 12, P. 12-14. (In Russian)

6. Patent RF No. 165039. Screw-Rotor Machine. Authors: Yu.A. Sazonov, M.A. Mokhov, I.N. Rybanov, M.A. Frankov, V.V. Voronova. Published on September 27, 2016; bul. No. 15.

7. Mokhov M., Sazonov Yu., Shakirov A., Koropetskiy V. Koropeckij V. New Pumps for High-Viscosity Oil Production. Oil & Gas Eurasia, 2014, No. 8-9. P. 36-38.

Литература:

1. Патент № 55896 РФ. Многоступенчатый роторный насос (варианты) / И.С. Пятов, В.М. Лысенко; опубл. 27.08.2006, бюл. № 24.

2. Патент № 83813 РФ. Пластинчатый насос / И.Л. Коробков, М.Л. Коробков; опубл. 20.06.2009, бюл. № 17.

3. Патент № 119042 РФ. Винтовая машина / Ю.А. Сазонов, В.И. Заякин, В.В. Муленко, Е.С. Казакова, Т.Н. Димаев, К.И. Клименко, А.Ю. Балака; опубл. 10.08.2012, бюл. № 22.

4. Патент № 128678 РФ. Винтовая машина / Ю.А. Сазонов, В.И. Заякин, В.В. Муленко, Т.Н. Димаев, К.И. Клименко, А.Ю. Балака; заявл. 06.11.2012; опубл. 27.05.2013, бюл. № 15.

5. Сазонов Ю.А., Муленко В.В., Балака А.Ю. Насосы и гидравлические двигатели объемно-динамического типа для нефтяной промышленности // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2011. № 12. С. 12-14.

6. Патент № 165039 РФ. Винтовая машина / Ю.А. Сазонов, М.А. Мохов, И.Н. Рыбанов, М.А. Франков, В.В. Воронова; заявл. 31.03.2016; опубл. 27.09.2016, бюл. № 27.

7. Мохов М., Сазонов Ю., Шакиров А., Коропецкий В. Новые насосы для добычи высоковязкой нефти // Oil & Gas Eurasia. 2014. № 8-9. С. 36-38.

72

№ 10 октябрь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ