ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НА НЕДОГРУЗОЧНЫХ РЕЖИМАХ

Значительное снижение объемов перекачки и изменение в загрузке насосных агрегатов повлияло на перераспределение причин отказов и снижения экономичности работы основного оборудования НПС.

С одной стороны в связи с работой меньшего числа уста­новленных насосов (30-35 % от всего парка) на предприятиях появилась возможность более тщательного проведения техоб­служивания и ремонта, сокращения (при ухудшении каких-либо эксплуатационных показателей) межремонтного ресурса. С другой стороны работа насосов на подачах 0,4-0,6 от номи­нальной приводит к значительному увеличению пульсаций по­тока в насосе и обвязке, росту динамических нагрузок. Это об­стоятельство является основным объяснением практически не повышающегося межремонтного ресурса насосов, несмотря на внедрение новых разработок. Имеющаяся в последнее время практика работы "половинками" рабочих колес (с фалыпступе-нью) несколько улучшает вибрационные и экономические по­казатели, но ставит и дополнительные вопросы. Они вызваны перераспределением осевых усилий и нагрузок от изменив­шихся дисковых потерь.

Кроме падения экономичности (согласно характеристике) и надежности насосов на режимах левее от номинальной произ­водительности (малые режимы подач) из-за роста гидравличе­ских потерь и повышения вибрационных нагрузок растет доля потерь, имеющих место на номинальном режиме из-за влияния шероховатости и отклонения геометрических размеров (до 1— 2 %), влияния износа элементов щелевого уплотнения рабочего Колеса (по мере наработки падение КПД на 2-12 % в зависи­мости от типоразмера и эксцентриситета), влияние вязкости перекачиваемой нефти (до 0,5 %), влияние обточки рабочего колеса по наружному диаметру (до 1-4 %).

Ухудшение вибросостояния насосов на недогрузочных ре­жимах происходит из-за изменения расчетного угла атаки по­тока на входе в лопатки рабочего колеса, приводящего к росту неуравновешенных сил и дополнительных потерь вследствие завихрений и обратных токов нефти. Одновременно на выходе из колеса создается неравномерность распределения давлений и возникает радиальная составляющая сил, действующих на рабочее колесо, увеличивающая нагрузку на вал и опоры и ухудшающая вибрационное состояние насоса. Неравномерность распределения сил по периферии рабочего колеса обусловлена тем, что спиральный отвод может обеспечить асимметричный поток лишь при расчетном (номинальном) режиме. При работе на недогрузке в спираль поступает меньшее количество жидко­сти, чем это определяется расчетными сечениями спирали и в этом случае последняя работает аналогично диффузору с нара­станием давления по углу обхвата и отсутствием симметрии в распределении сил давления на периферии насоса. Механизм усиления импульса вибрации от неоднородности потока за ко­лесом срабатывает и при наличии в потоке препятствия в виде языка спирального отвода.

В практике эксплуатации насосов известны случаи, когда давление на входе в насос значительно превышает давление насыщенных паров, однако на режимах, отличных от номи­нальных, выходящий из рабочего колеса поток нефти образует ударное давление, приводящее к местному снижению давления до уровня, меньшего давления насыщенных паров. При этом отмечалось, что повышенная вибрация подводящих трубопрово­дов вызывалось импульсами, образующимися в насосах.

Технические пути решения проблемы сложны и связаны, в основном, с разработкой новых модификаций колес, рассчи­танных на соответствующие условия работы, или изменением гидравлики проточной части насоса, например за счет специ­альных вставных сопел, устанавливаемых в спиральный отвод. Это приведет и к росту КПД насоса.

Новая конструкция рабочих колес будет отличаться другим профилем, увеличенным числом рабочих лопаток, меньшим диаметром, позволяющим увеличить зазор между колесом и отводом. При этом необходимо увязать рациональную величину зазора с формой лопастей колеса и языка.

Рециркуляция на входе в рабочее колесо на малых подачах 288

вызывает обратное течение нефти в области, примыкающей к входным кромкам лопастей.

Возвращаясь к основному потоку, нефть, участвующая в ре­циркуляции, образует вихри. Турбулентное смешение основно­го и завихренного обратного потоков вызывает повышенные удары и пульсации и приводит к появлению местных кавитационных явлений, сопровождаемых ростом вибрации. При по­ниженных подачах наблюдается также внутренняя рециркуля­ция у выхода из колеса.

В результате рециркуляции у выхода, также как и при ре­циркуляции у входа, возникают гидравлические толчки, мест­ная кавитация на концах лопастей.

Подача, при которой возникает рециркуляция у выхода, мо­жет быть и больше и меньше той, при которой начинается ре­циркуляция у входа.

При рециркуляции у выхода наблюдается еще одно явле­ние — осевая неустойчивость ротора. Это приводит к росту осевой вибрации исследуемых насосов. Осевая неустойчивость появляется в результате сильных пульсаций давления пре­имущественно у дисков колеса. Когда давление в пазухах кор­пуса с обеих сторон колеса меняется различным образом, ро­тор сдвигается то в одну, то в другую сторону на величину, пропорциональную люфту в радиально-упорном подшипнике и осевому люфту всего ротора. Такая осевая неустойчивость бо­лее интенсивней выводит из строя шарикоподшипник и объяс­няет повышенную вибрацию на исследуемых насосах. Особен­но ощутимо снижение экономичности при эксплуатации насо­сов больших типоразмеров. Так, если насос НМ 10 000-210 с основным ротором работает на подаче О = 0,5-Оном, то его КПД примерно на 20 % ниже, чем на номинальном режиме.

Для повышения КПД насоса в таких случаях используются сменные рабочие колеса, рассчитанные на меньшие подачи (0,5-QHOM, 0,7-QHOM, где О — номинальная подача насоса), что позволяет вести перекачку на более экономичном режиме, од­нако и при этом не удается достичь КПД, соответствующего работе насоса на номинальной подаче с основным ротором. Основной причиной этого является несоответствие параметров потока геометрии спирального отвода насоса, рассчитанного на номинальную подачу Оном, что приводит к росту гидравличес­ких потерь в отводе.

Из всех потерь — гидравлических, механических и объем­ных — на ухудшение эффективности работы насосов на режи­мах недогрузки (менее 0,8 от номинальной подачи) наибольшее влияние оказывают гидравлические потери. Последние необходимо рассматривать как суммарные потери при движении жид­кости в каналах рабочего колеса, подводящем патрубке и спи­ральном отводе.

На режимах недогрузки насоса относительный рост гидрав­лических потерь трения от движения нефти в каналах рабоче­го колеса и спиральном отводе значительно меньше потерь на вихреобразование.

В направлении повышения экономичности и надежности существующего насосно-силового оборудования в условиях снижения объема перекачки наряду с традиционными методами (применение сменных роторов и обточка рабочих колес) вы­полненные поисковые работы указывают на актуальность сле­дующих работ.

1. Работа одной половинкой рабочего колеса с компенсацией осевых пульсаций, нагрузок на ротор, подшипниковые узлы и торцевые уплотнения. Должен быть обеспечен минимум дисковых потерь за счет изменения конструкции "фалыпступени".

2. Применением и оптимизацией характеристик сменных рабочих колес с некоторым изменением геометрии лопастей и дисков рабочих колес, применением обточки (подрезки).

3. Использование лопаточных диффузоров (направляющих аппаратов) или специальных сопел в проточную часть насоса (в спиральный канал диффузора — улитку, на входе в колесо) с возможным одновременным растачиванием кромок горловины диффузора, подпиливанием нерабочей стороны лопаток колеса и пр.

4. Оптимизацией зазора между наружным диаметром рабочего колеса и языком спирального отвода с возможной запиловкой выходных кромок лопастей. Доработка языка насоса.

5. Разработкой осецентробежных рабочих колес с двух- или трехъярусным расположением лопаток.

6. Управлением пограничным слоем движущегося в межлопаточном пространстве потока за счет эжекции выходящей из рабочего колеса жидкости или перераспределением давления на поверхностях лопаток путем сверления отверстий или фрезерования щелей.

7. Применением плавающих или торцевых уплотнений рабочего колеса вместо существующей конструкции щелевого уплотнения.

8. Использованием более совершенной технологии сборки, монтажа и ремонта насосов, обеспечивающих симметричное расположение рабочих колес относительно улитки, равномерный (без эксцентриситета) зазор в щелевом уплотнении, плавное сопряжение отдельных деталей насоса, скругление входных кромок лопаток и языка, снижение шероховатости элементов проточной части насосов.

9. Оптимальное сочетание подрезки рабочих колес на недогрузочных режимах с целью снижения вибрации и изменения (снижения) КПД.