CC BY
24УДК 658.512.2:519.876.5
В.Н. Ивановский, д.т.н., профессор, заведущий кафедрой, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина; А.А. Сабиров, к.т.н., доцент, заведущий лабораторией, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина; А.В. Кузьмин, аспирант, м.н.с., РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
Современные инженерные подходы к проектированию оборудования для добычи нефти и газа
Представлен современный подход к проектированию, моделированию, прототипированию и проведению испытаний прототипов рабочих ступеней центробежных скважинных насосов с целью определения рабочих характеристик при изменении геометрии ступеней и вязкости перекачиваемой жидкости.
Ключевые слова: программный комплекс CAD, CAE, Mathcad 15, SolidWorks 2014 SP4.0, центробежный насос, рабочее колесо, направляющий аппарат, характеристика ступени.
Современные вычислительные технологии, развивающиеся стремительными темпами, уже давно находят широкое применение в комплексе работ по исследованию, расчетам и конструированию нового изделия или нового процесса. Сейчас нет необходимости убеждать кого-либо в том, что компьютерное моделирование является необходимым инструментом создания современных технических объектов. Все более широкий круг предметов и явлений становится объектом компьютерной симуляции и автоматического проектирования в CAD (Computer-Aided Design - проектирование и конструирование с помощью ЭВМ) и CAE (Computer-Aided Engineering - инженерные расчеты с помощью ЭВМ). Они внедрились практически во все
сферы инженерной деятельности. Другая тенденция - расширение круга пользователей этих систем. Увеличение области применения высокотехнологичных инструментов (бытовая техника, электроника, индустрия автомобильных компонентов, деталей машин и станков, товары для спорта и отдыха, бытовая светотехника и т.д.) потребовало создания таких программ, которые были бы доступны квалифицированному инженеру и стали атрибутом стандартного рабочего места. Значительная доля инжиниринговых предприятий использует технологию пространственного моделирования, для некоторых она является основным инструментом разработки конструкторской документации и, нередко, технологических процессов [1, 2, 3].
Использование численных методов при проектировании различных конструкций и машин продиктовано необходимостью постоянного повышения качества и надежности изделий, а также возможностью применения новых конструкционных материалов, если учитывать сложные условия работы современных изделий. Максимальный эффект от использования технологий CAE достигается при их использовании начиная с самых ранних стадий проектирования. При этом снижаются стоимость создания изделия, вероятность возникновения рисков и срок выпуска изделия на рынок. Исследования поведения конструкций можно также проводить и с помощью экспериментального подхода. Этот способ позволяет оценивать поведение конструкции при воздействии на нее различных внешних факторов. Однако он является дорогостоящим, требует больших временных и материальных затрат, а иногда и вовсе не может быть применим.Сегодня в процессе разработки высокотехнологичной конкурентоспособной продукции ведущие фирмы мира используют моделирование, частично заменяя дорогостоящий натурный эксперимент более дешевым и рациональным вычислительным (компьютерным) экспериментом,полага-
Рис. 1. Модель рабочей ступени ЭЦН в SolidWorks 2014 SP4.0
Рис. 2. Моделирование течения жидкости внутри ступени
ясь на высокий современный уровень компьютерной техники, позволяющей решать сложные задачи на мощных рабочих станциях и кластерах достаточно быстро. Важно также отметить, что при проведении реальных экспериментов, как правило, информацию можно получать лишь в десятках или сотнях точек.
При численном моделировании таких точек может быть несколько сотен тысяч, а при необходимости и больше. Поэтому оптимальный, а во многих случаях и единственный, путь создания конкурентоспособного изделия - это сочетание расчетных исследований, которые достаточно адекватно моде-
лируют физические явления, определяющие интересующие проектировщика характеристики, с экспериментом, необходимым для проверки адекватности моделирования.
При проектировании изделий (лопастные колеса турбин, насосов и компрессоров), где важной характеристикой является гидро/газоэффективность [4, 5, 6, 7 ], удобно в качестве модели для конечного реального эксперимента применять изделие, созданное на 3D-принтере. 3D-принтеры позволяют создавать на ранних стадиях проектирования концептуальные модели любой сложности непосредственно по цифровым данным, полученным на компьютерах в процессе CAD-проекти-рования, быстро и дешево относительно производственных затрат. Время печати обычно составляет считаные часы. Прототипы, получаемые на них, легко могут быть использованы для функциональных испытаний для проверки адекватности САЕ-расчетов. Усилия научно-педагогического потенциала кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина направлены на подготовку специалистов, магистров и научных кадров (аспирантов) на уровне мировых квалификационных требований. На кафедре созданы условия, позволяющие обеспечить студентам доступ к современным программным комплек-
Рис. 3. Моделирование распределения давления жидкости и ее токов в меридиональной плоскости внутри ступени
Рис. 4. Прототипы (рабочее колесо и направляющий аппарат), напечатанные на 30-принтере
Рис. 5. Общий вид стенда для испытания ступеней ЭЦН
сам в CAD, CAE, Mathcad 15, программном пакете SoLidWorks 2014 SP4.0 [1, 2, 3, 8], к 3D-принтерам и стендам для испытания существующего или вновь спроектированного оборудования. На кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина для обеспечения возможности быстро-
го проведения испытаний прототипов рабочих ступеней центробежных, дисковых и иных скважинных насосов с целью определения рабочих характеристик при изменении геометрии ступеней и вязкости перекачиваемой жидкости совместно используются программные пакеты моделирования и прототипирования.
Геометрия прототипа рассчитывается на специально разработанной математической модели в системе компьютерной алгебры Mathcad 15. Модель рабочей ступени создается в программном пакете SoLidWorks 2014 SP4.0 (рис. 1).
Далее моделирование работы спроектированной ступени проводится в приложении SoLidWorks Flow Simulation (рис. 2-3), где моделировалось течение вязкой жидкости через неподвижные и вращающиеся каналы ступени на основе вычислительной гидро/ газодинамики (computational fluid dynamics, CFD).
После ряда этапов моделирования проверяется сходимость полученной расходно-напорной характеристики с заданными параметрами при проектировании. Если полученные результаты имеют значительные расхождения, проектируемая модель пересчитыва-ется с вновь внесенными изменениями в ее конструкцию. Для составления алгоритма печати детали используется специальная программа - CataLystEX. Файл готовой модели загружается на печать в 3Э-принтер, который может печатать несколько видов прототипов одновременно.
Для создания деталей (рис. 4) используется не растворимый в воде пластик ABSpLus. ABSpLus представлен в самом широком ряде цветов, доступных в технологии FDM (слоновая кость, белый, черный, темно-серый, красный, синий,оливковый, нектариновый и флуоресцентно-желтый), также можно
Рис. 6. Расходно-напорная характеристика, полученная при _
моделировании в приложении SoLidWorks Flow Simulation Рис. 7. Расходно-напорная характеристика, полученная на стенде
специально заказать нужный цвет материала. Детали из ABSpLus обладают достаточной прочностью, водостойкостью, могут работать при температуре окружающей среды до 90 0С; поэтому многие виды создаваемых с помощью быстрого прототипирования деталей и узлов могут проходить испытания на специальных стендах вместо экспериментальных образцов,изготовленных из металла.
Для улучшения качества прототипа проточные каналы рабочего колеса и направляющего аппарата, а также другие сложные полости в процессе печати заполняются временным поддерживающим материалом. Удаление растворимого вспомогательного материала даже из сложных и глубоких полостей является доста-
точно простой и не занимающей много времени операцией. Изготовленные пластиковые прототипы устанавливаются на стенд (рис. 5), где проводятся их испытания на воде или на модельной жидкости с различными вязкостью и плотностью. Целью испытаний является проверка соответствия характеристики, полученной расчетным путем, и характеристики, полученной при экспериментальных исследованиях (рис. 6-7). При соответствии указанных характеристик считается, что задача проектирования изделия выполнена, при значительном отличии характеристик проводятся дополнительные работы: корректировка математической модели, проведение компьютерного эксперимента, изготовление прото-
типов, проведение физического эксперимента, сравнение полученных характеристик. Обычно уже вторая итерация позволяет обеспечить совпадение результатов компьютерного и физического экспериментов даже в случае создания сложных гидродинамических систем.
Именно за счет этого можно создать эффективную рабочую ступень с минимальными финансовыми и временными затратами.
Непосредственное участие студентов в данном методе создания новых видов оборудования позволяет готовить высококвалифицированных специалистов для нефтегазового комплекса, ориентированных на инновации и повышение эффективности нефтегазового производства.
UDC 658.512.2:519.876.5
V.N. Ivanovsky, Doctor of Engeanering Scientist, professor, head of chair of Gubkin Russian State University of Oil and Gas; A.A. Sabirov, PhD, docent, head of laboratory of Gubkin Russian State University of Oil and Gas; A.V. Kuzmin, graduate student, junior researcher of Gubkin Russian State University of Oil and Gas
Modern engineering approaches to oil and gas production equipment design
Presents a modern approach to designing, modeling, prototyping and testing prototypes of working stage of centrifugal borehole pumps to determine the operating characteristics when changing the geometry of stage and viscosity of the fluid. Keywords: software package CAD, CAE, Mathcad 15, SolidWorks 2014 SP4.0, centrifugal pump, radial impeller, diffuser, characteristic of stage.
References:
1. Alyamovskiy A.A. SolidWorks Simulation. Kak reshat' prakticheskie zadachi (SolidWorks Simulation. How to solve practical tasks). — SPb.: BHV-Petersburg, 2012. - 448 p.: ill. + DVD.
2. Goncharov P. S., Artamonov I. A., Khalitov T.F., Denisikhin S. V., Sotnik D.Ye. NXA Advanced Simulation. Inzhenernyi analiz (NXA Advanced Simulation. Engineering analysis). - M.: DMK Press, 2012. - 504 p.: ill.
3. SolidWorks. Komp'yuternoe modelirovanie v inzhenernoi praktike (SolidWorks. Computer simulation in engineering practice) / A.A. Alyamovskiy, A.A. Sobachkin, B.V. Odintsov, A.I. Kharitonovich, P.B. Ponomarev. - SPb.: BHV-Petersburg, 2005. - 800 p.: ill.
4. GOST 6134-2007, ISO 9906-1999 «Nasosy dinamicheskie. Metody ispytaniy» («Continuous flow pumps. Test methods»).
5. Lopastnye nasosy (Impeller pumps) / Edited by L.P. Gryanko, A.N. Papira. - L.: Mashinostroyeniye, 1975. - 430 p.
6. Mikhailov A.K., Malyushenko V.V. Lopastnye nasosy. Teoriya, raschet i konstruirovanie (Impeller pumps. Theory, calculation and design). - M.: Mashinostroyeniye, 1977. - 288 p.
7. Stepanov A.I. Tsentrobezhnye i osevye nasisy. Teoriya, konstruirovanie i primenenie (Rotary and axial pumps. Theory, design and application).
- M.: State Scientific and Technical Edition Publishing House, Machine Engineering Literature, 1960. - 464 p.
8. Makarov Ye. Inzhenernye raschety v Mathcad 15: Uchebnyi kurs (Engineering evaluation in Mathcad 15: Training course). - SPb.: Piter, 2011.
- 400 p.: ill.
Литература:
1. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. - 448 с.: ил. + DVD.
2. Гончаров П. С., Артамонов И. А., Халитов Т.Ф., Денисихин С. В., Сотник Д.Е. NXA Advanced Simulation. Инженерный анализ. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 504 с.: ил.
3. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Б.В. Одинцов, А.И. Харитонович, П.Б. Пономарев. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.: ил.
4. ГОСТ 6134-2007, ИСО 9906-1999 «Насосы динамические. Методы испытаний».
5. Лопастные насосы / Под ред. Л.П. Грянко, А.Н. Папира. - Л.: Машиностроение, 1975. - 430 с.
6. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. - М.: Машиностроение, 1977. - 288 с.
7. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. Теория, конструирование и применение. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960. - 464 с.
8. Макаров Е. Инженерные расчеты в Mathcad 15: Учебный курс. - СПб.: Питер, 2011. - 400 с.: ил.
