CC BY
9НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
УДК 622.276.53
М.А. Франков1, e-mail: [email protected]
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
Применение современных технологий для конструирования гибридных роторных насосов
В статье представлены результаты исследований Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина, направленных на разработку и изучение нового типа оборудования - гибридных роторных насосов. Целью работ является оптимизация конструкции гибридного роторного насоса, оснащенного угловыми вкладышами, выполняющими функции замыкателей, которые разделяют последовательно установленные рабочие камеры. Разработаны прототипы насоса с секционным ротором. Секции ротора были изготовлены из листовых заготовок при помощи лазерной резки. Доказана работоспособность насосов с секционным ротором, проверена их собираемость. Проведены испытания на воде в диапазоне частот вращения ротора 300-2000 об/мин, получена зависимость подачи от частоты вращения ротора. Результаты испытаний подтвердили применимость аддитивных технологий для изготовления ротора.
Произведена доработка существующих метаматематических моделей по расчету объемных потерь с учетом динамической составляющей перепада давления, сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет сделать вывод о ее пригодности для использования.
В дальнейшем планируется разработка комплекта конструкторской документации и экспериментального образца насоса с секционным ротором, доработка математических моделей по расчету характеристик с учетом вязкости жидкости.
Переход на секционное исполнение ротора и применение современных технологий для его изготовления позволят повысить технологичность конструкции и снизить ее стоимость.
Ключевые слова: роторный насос, добыча нефти, математическая модель, физический эксперимент, экспериментальный образец, аддитивные технологии.
M.A. Frankov1, e-mail: [email protected]
1 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)" (Moscow, Russia).
Application of Modern Technologies for the Construction of Hybrid Rotary Pumps
The article describes the results of studies of the Gubkin Russian State University of Oil and Gas study in the aims of develop and research a new type of equipment - hybrid rotary pumps. The work mission is an optimization of the hybrid rotary pump design with corner inserts, which perform the functions of closers that separate the working chambers installed in series.
Pump prototypes with a sectional rotor were developed, the rotor sections were made of sheet blanks by laser cutting. The performance of the versions with sectional rotor was proved and their collection was verified, tests were carried out and the dependence of the feed on the rotor speed was obtained. The tests were carried out on water in the rotor speed range from 300 to 2000 rpm. The performed studies confirm the applicability of the described method of additive technologies to these hydraulic machines for manufacturing the rotor. The transition to the rotor's sectional design and the use of modern technologies for its manufacture will improve the processability of the structure and reduce its cost. The existing metamathematical models have been modified to calculate volumetric losses, taking into account the dynamic component of the pressure drop, a comparison of the experimental and calculated data makes it possible to conclude that it is suitable for use.
60
№ 7-8 август 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
PUMPS. COMPRESSORS
In the future, it is planned to develop a set of design documentation and an experimental sample of a pump with a sectional rotor, the mathematical models will be modified to calculate the characteristics taking into account the viscosity of the liquid.
Keywords: rotary pump, oil production, mathematical model, physical experiment, experimental sample, additive technologies.
Рис. 1. Прототип секционного ротора Fig. 1. Prototype of the sectional rotor
Добыча высоковязкой нефти остается актуальным вопросом для Российской Федерации. Эффективное решение данной проблемы невозможно без создания нового оборудования с учетом возможностей современных технологий. Одним из перспективных направлений в данной области является применение аддитивных технологий, под которыми понимается послойное наращивание и синтез объекта. Обычно аддитивные технологии ассоциируют с 3D-принтерами, однако изготовление с их помощью деталей оборудования из металла остается дорогостоящим процессом. На сегодняшний день более доступным методом является переход на секционное исполнение объекта. В таком исполнении объект (деталь) состоит из соединенных секций, которые изготавливаются из листовых заготовок при помощи таких технологий, как лазерная и фрезерная резки. Такой метод по классификации аддитивных технологий ASTM International (англ. American Society for Testing and Materials - Американское общество по испытаниям и материалам) в версии 2012 г. можно отнести к соединению листовых мате-
риалов (от англ. sheet lamination) или послойному формированию изделия из листовых строительных материалов [1].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
На кафедре машин и оборудования РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина ведутся работы, целью которых являются разработка и исследование новых объемных насосов - гибридных роторных [2-4]. Одним из направлений работы стала оптимизация конструкции гибридного роторного насоса, оснащенного угловыми вкладышами, которые выполняют функции замыкателей, разделяющих последовательно установленные рабочие камеры.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Разработан первый прототип [1] секционного ротора (рис. 1), который был изготовлен из секций, вырезанных из листового оргстекла при помощи лазерной резки. Физические эксперименты доказали его работоспособность. Для проведения дополнительных экспериментов с секционной конструкцией ротора был разработан второй прототип насоса (рис. 2). В данном образце
Рис. 2. Схема прототипа насоса с секционным ротором:
1 - электродвигатель; 2 - отвод; 3 - кожух;
4 - статор; 5 - секционный ротор;
6 - вкладыш; 7 - подвод
Fig. 2. Schematic diagram of a prototype pump
with a sectional rotor:
1 - electric motor; 2 - pump outlet; 3 - casing; 4 - stator; 5 - sectional rotor; 6 - insert of pump; 7 - pump inlet
Для цитирования (for citation):
Франков М.А. Применение современных технологий для конструирования гибридных роторных насосов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 7-8. С. 60-63.
Frankov M.A. Application of Modern Technologies for the Construction of Hybrid Rotary Pumps. Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2018, No. 7-8, P. 60-63. (In Russ.)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 7-8 August 2018
61
НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
Рис. 3. Секции ротора из дюралюминия: а) под стержень вкладыша; б) под серповидную часть вкладыша; в) конечная Fig. 3. Duralumin section of the rotor: a) under the insert bar; b) under the crescent part of the insert; с) final section
Результаты физического эксперимента Results of physical study
Полиномиальная
(результаты
физического
эксперимента)
Polynomial
(results of physical
study)
500 1000 1500 2000 2500 Частота вращения ротора, об/мин Rotary rotations, rounds per minute
Рис. 5. Зависимость подачи насоса от частоты вращения ротора Fig. 5. Dependence of the pump feed on the rotor speed
Рис. 4. Секционный ротор в сборе с вкладышами
Fig. 4. Sectional rotor assembly with inserts
секции ротора (рис. 3) изготовлены из дюралюминия (Д16Т) при помощи лазерной резки.
Секции ротора в представленном образце собираются на шлицевом валу электродвигателя и стягиваются гайкой (рис. 4). Применение такой конструкции позволяет упростить и ускорить изготовление ротора.
По результатам испытаний получена зависимость подачи насоса от частоты вращения ротора (рис. 5). Испытания проводились на воде в диапазоне частот вращения ротора от 300 до 2000 об/мин. Минимальная полученная фактическая подача насоса составила 0,18 л/с (при 300 об/мин), максимальная - 1,25 л/с (при 2000 об/мин).
Была произведена доработка существующих математических моделей [6-7] по
Результаты
численного
эксперимента
Results of numerical
study
Результаты
физического
эксперимента
Results of physical
study
500 1000 1500 2000 2500 Частота вращения ротора, об/мин Rotary rotations, rounds per minute
3000
Рис. 6. Расчетная и фактическая зависимости подачи микромодели насоса от частоты вращения ротора
Fig. 6. Calculated and actual dependence of the supply of the micromodel of the pump on the rotor speed
расчету характеристик гибридного роторного насоса. В имеющихся математических моделях при расчете объемных утечек учитывалась только статическая составляющая перепада давления. Для более точного расчета объемных потерь в насосе была внесена поправка с учетом динамической составляющей. В конструкции насоса между статором и ротором имеется щелевое уплотнение. При вращении ротора до щелевого уплотнения по направлению движения находится область с высоким давлением, после щелевого уплотнения -
область с низким давлением. Перепад давления, вызванный вращательным движением,провоцирует дополнительные утечки. Представленная метаматематическая модель была проверена на микромоделях насоса (рис. 6). Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет сделать вывод о ее пригодности для использования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе проведенных исследований сделаны следующие промежуточные выводы.
62
№ 7-8 август 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
PUMPS. COMPRESSORS
1. Разработан прототип секционного ротора гибридного роторного насоса, доказана его работоспособность и проверена собираемость, что подтверждает применимость для изготовления ротора описанного метода аддитивных технологий к данным гидравлическим машинам.
2. Переход на секционное исполнение ротора и применение современных технологий для его изготовления позволит
повысить технологичность конструкции и снизить ее стоимость.
3. Разработан прототип насоса с секционным ротором и проведены его испытания на воде в диапазоне частот вращения ротора 300-2000 об/мин. Получена зависимость подачи насоса от частоты вращения ротора.
4. Разработана математическая модель по расчету объемных потерь в насосе с учетом динамической составляющей
перепада давления.Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет сделать вывод о ее пригодности для использования. Планируется разработка комплекта конструкторской документации и экспериментального образца насоса с секционным ротором. Кроме того, будет произведена доработка математических моделей по расчету характеристик с учетом вязкости жидкости.
Литература:
1. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. 220 с.
2. Винтовая машина: пат. RU 177705 и1, МПК F01C 1/107, F01C 1/344 / Ю.А. Сазонов, М.А. Мохов, М.А. Франков, Д.Ю. Иванов; патентообладатель ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»; № 2017121807; заявл. 21.06.2017; опубл. 06.03.2018; Бюл. № 7. 12 с.
3. Винтовая машина: пат. RU 177656 и1, МПК F01C 1/107, F01C 1/344 / Ю.А. Сазонов, М.А. Мохов, М.А. Франков, Д.Ю. Иванов, В.В. Воронова; патентообладатель ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»; № 2017121808; заявл. 21.06.2017; опубл. 05.03.2018, Бюл. № 7. 13 с.
4. Винтовая машина: пат. RU 165039 и1, МПК F01C 1/107, F01C 1/344 / Ю.А. Сазонов, М.А. Мохов, И.Н. Рыбанов, М.А. Франков, В.В. Воронова; патентообладатель ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»; № 2016112161/06; заявл. 31.03.2016; опубл. 27.09.2016, бюл. № 27. 2 с.
5. Сазонов Ю.А., Франков М.А., Иванов Д.Ю. Исследование гибридного роторного насоса // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 10. С. 68-72.
6. Сазонов Ю.А., Муленко В.В., Балака А.Ю. Насосы и гидравлические двигатели объемно-динамического типа для нефтяной промышленности // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2011. № 12. С. 36-38.
7. Сазонов Ю.А., Муленко В.В., Балака А.Ю. Вопросы проектирования гидравлических машин объемно-динамического типа // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2012. № 8. С. 44-46.
References:
1. Zlenko M.A., Nagaitsev M.V., Dovbysh V.M. Additive Technologies in Mechanical Engineering. Moscow, FSUE RF "The Central Research and Development Automobile and Engine Institute NAMI", 2015, 220 p. (In Russian)
2. Screw-Rotor Machine. Patent RU 177705 U1, MPC F01C 1/107, F01C 1/344. Authors - Yu.A. Sazonov, M.A. Mokhov, M.A. Frankov, D.Yu. Ivanov; patent holder - Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)"; No. 2017121807; appl. 21.06.2017; publ. 06.03.2018; Bui. No. 7, 12 p. (In Russian)
3. Screw-Rotor Machine. Patent RU 177656 U1, MPC F01C 1/107, F01C 1/344. Authors - Yu.A. Sazonov, M.A. Mokhov, M.A. Frankov, D.Yu. Ivanov, V.V. Voronova; patent holder - Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)"; No. 2017121808; appl. 21.06.2017; publ. 06.03.2018; Bui. No. 7, 13 p. (In Russian)
4. Screw-Rotor Machine. Patent RU 165039 U1, MPC F01C 1/107, F01C 1/344. Authors - Yu.A. Sazonov, M.A. Mokhov, I.N. Rybanov, M.A. Frankov, V.V. Voronova; patent holder - Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)"; No. 2016112161/06; appl. 31.03.2016; publ. 27.09.2016; Bul. No. 27, 2 p. (In Russian)
5. Sazonov Yu.A., Frankov M.A., Ivanov D.Yu. Investigation of Hybrid Rotary Pump. Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory, 2017, No. 10, P. 68-72. (In Russian)
6. 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. 36-38. (In Russian)
7. Sazonov Yu.A., Mulenko V.V., Balaka A.Yu. The Problems of Designing Hydraulic Machines of Volume-Dynamic Type. Territorija "NEFTEGAS" = Oil and Gas Territory, 2012, No. 8, P. 44-46 (In Russian)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 7-8 August 2018
63
