Влияние вязкости нефти на характеристику магистрального насоса

;

;

где h_г- гидравлические потери в подводе, рабочем колесе и отводе, замеряемые на участке от входного манометра до выходного, N_M-суммарные механические потери, N_дс- дисковые потери, N_уп – потери в уплотнениях и подшипниках, N_гт - мощность гидравлического торможения; N_t- теоретическая мощность насоса, передаваемая колесом жидкости; Q_t- теоретическая подача насоса; η₀ -объемный КПД насоса; η_м- механический КПД насоса, оценивающий влияние механических потерь на баланс энергии в насосе; η_г- гидравлический КПД насоса.

Рост гидравлических потерь с увеличением вязкости снижает  напор насоса H, что ведет к уменьшению полезной мощности η= η₀η_гη_м . Одновременно, вследствие возрастания дисковых потерь , растет мощность, подводимая к валу насоса, что приводит к резкому снижению КПД. Значительное уменьшение КПД центробежных насосов при перекачке вязких жидкостей – один из существенных недостатков центробежных насосов.

        Вязкость жидкости воздействует также и на кавитационный запас насоса, изменяя его значение по сравнению с данными испытаний на холодной воде.

  

 

 

3.  ИСЛЕДОВАНИЕ НАПОРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ПРИ ПЕРЕКАЧКЕ ВЯЗКИХ НЕФТЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ И МЕТОДЫ ПЕРЕСЧЕТА ПАСПОРТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАСОСОВ С ВОДЫ НА ВЯЗКУЮ ЖИДКОСТЬ.

В практике эксплуатации магистральных центробежных насосов  при перекачке вязких нефтей и  нефтепродуктов возникает необходимость пересчета напорных паспортных характеристик с воды на вязкую жидкость или прямого расчета их. Как уже отмечалось, напорные характеристики в этом случае снижаются по мере увеличения вязкости (снижения Re).

Исследования работы центробежных насосов на вязких жидкостях весьма обширны. Обработка экспериментальных данных в основном выполнялась с применением теории подобия и размерностей. Наиболее полно такие исследования выполнены М.Д. Айзенштейном, Д.Я. Сухановым, А. Иппеном, А.И. Степановым, К. Пантеллом, П.Д. Ляпковым и пр. Проводились также исследования влияния вязкости перекачиваемой жидкости на характеристики одиночных экземпляров насосов. Указанные исследования относятся к разнотипным насосам, в основном одностороннего входа с n_s≤174. Максимальный n_s соответствует погружным насосам. Упомянутые исследования существенно развили теорию расчета характеристик насосов применительно к условиям перекачки вязких жидкостей.

1. При работе центробежных насосов на вязких жидкостях форма напорной характеристики изменяется: с ростом вязкости напор насоса уменьшается, характеристика Q-H становится круче, кривизна ее уменьшается. В обобщенных координатах ψ-φ-Re закономерность изменения этой характеристики соответствует рис 3. Еще более интенсивно падает с ростом вязкости КПД.

Рис.3 Напорные характеристики центробежного насоса в обобщенных безразмерных координатах

2. Нет единого мнения о закономерности снижения максимального (оптимального) КПД насоса. По данным работы М.Д. Айзенштейна, всем режимам оптимального КПД (см рис 2, пунктирные линии), соответствую одинаковые значения n_s,т.е. эти режимы кинематически подобны. Такой вывод соответствует положениям  теории подобия. Все точки пунктирной линии, соединяющей оптимальные КПД, подчиняются в этом случае уравнению

где индекс «в» относится  к воде, ν- к вязкой жидкости. А. Иппен  и Р. Роцтол предлагают другие зависимости: ,

3. Большинство исследователей считают, что напор насоса при нулевой подаче не зависит от вязкости жидкости. Некоторые отклонения от этой закономерности наблюдаются у насосов с лопаточным направляющим аппаратом.
4. Число Рейнольдса является одним из основных критериев, определяющих закономерности изменения характеристик центробежных насосов, перекачивающих вязкие жидкости, однако в вопросах выбора формы записи числа Рейнольдса нет единообразия. В литературе опубликованы работы, где предлагается различная запись числа Рейнольдса при исследованиях характеристик напора и КПД. В ряде работ проводится анализ различных форм записи числа Re. Большинство авторов в последнее время придерживаются центробежной формы записи числа Рейнольдса.
5. Для пересчета характеристик напора и КПД с воды на вязкую жидкость широкое распространение в нефтяной промышленности получил достаточно простой способ М.Д. Айзенштейна. В основу расчета положены графические зависимости:

,

,

.

Коэффициенты снижения напора k_n, подачи k_Q и КПД k_η принимаются неизменными в рабочей зоне подач (0,8Q_O≤Q≤1,2Q_O). Они принимаются едиными для насосов в диапазоне n_s=50÷130. На насосы большего n_s способ распространяется условно. В этом случае принцип геометрического подобия при обобщениях на широкий диапазон n_s зависимостей , ,

не соблюдается, что  неизбежно сказывается на точности расчетов. Об этом справедливо упоминает М.Д. Айзенштейн. Дополнительно для взаимосвязи k_n=H_ν/H_в=f₁(Re) и k_Q=Q_ν/Q_в=f₂(Re) используется условие

где индекс «в» относится к воде, ν- к вязкой жидкости. Предлагается применять также метод Д.Я. Суханова.

6. Переходное число Re_п, при котором влияние вязкости на напорные характеристики насосов прекращается. Во многих работах определяется значением , когда указанные коэффициенты стремятся к единице. Поскольку кривые , , едины для широкой гаммы n_s, Re_п остается одинаковым для всех насосов этого диапазона n_s.

Изложенный краткий  анализ исследований характеристик центробежных насосов при перекачке вязких жидкостей свидетельствует о неясностях, противоречивых толкования, отступления от теории подобия. Применительно к магистральным центробежным насосам, одноступенчатым двухстороннего входа, исследований не достаточно. Распространение изложенных выводов на эти насосы неправомерно, особенно если иметь ввиду насосы большой мощности с n_s, равным 130-250. Возникла необходимость специальных исследований характеристик магистральных центробежных насосов при перекачке вязких жидкостей.

В ВНИИСПТ нефти под  руководством Л.Г. Колпакова были выполнены  лабораторные и промышленные исследования характеристик центробежных насосов магистральных нефтепроводов. Лабораторные исследования проводились в экспериментальной насосной станции института с насосами одноступенчатыми двухстороннего входа, соответствующими насосам, входящим в ГОСТ 12124-80.Эксперименты проводились на модельных образцах в 0,75 натурных размеров при различной частоте вращения. Вязкость изменялась от 0,01·10^-4 до 13·10^-4 м²/с. Н.З. Аитовой в этом институте проведены исследования характеристик модельного высокооборотного насоса НМва 2500-750М-1 (D₂=132мм). Частота вращения менялась ступенчато от 3000 до 6000 об/мин, а вязкость наибольшая достигала 0,7·10^-4 м²/с. Модельные образцы насосов представляют геометрически подобные копии натурных насосов. Все насосы, испытанные в лабораторных условиях, имеют сходные геометрические параметры. Это позволило достичь определенных обобщений, которые неправомерно распространять на насосы других типов без ущерба точности расчетов. Всего было испытано 11 модификаций насосов в трех корпусах в диапазоне n_s=80÷200.

Одновременно с проведением  стендовых исследований осуществлялись их промышленные испытания. Результаты таких испытаний сравнивались с расчетными данными, полученными на основе стендовых исследований. Это позволило проверить достоверность подготовленных методик расчетов. Были проанализированы, кроме того, материалы промышленных испытаний магистральных насосов, полученные другими авторами. Обобщение и анализ полученных результатов стендовых и промышленных испытаний указанных насосов и их модификаций позволили получить следующие выводы.

1. Напор в оптимальном  режиме по мере роста вязкости  перекачиваемой жидкости снижается медленнее, чем подача. Зависимость лучше подтверждается для насосов, имеющих ns≤90, включая насос НМво 2500. Выражения , дают значительные отклонения от эксперимента.

2. Коэффициент k_н снижения напора для исследованных магистральных насосов выше значений, приведенных в работе М.Д. Айзенштейна. На рис. 4 приводятся кривые k_н  для испытанных насосов в функции числа Рейнольдса, определяемого по М.Д. Айзенштейну из выражения , где .

Рис.4 Зависимости коэффициента напора k_н при перекачке вязких жидкостей для насосов с различным n_s:

1 – НМ 2500-270 №7 n_s=90;

2 – 6 НДв n_s=60;

3 – 16НД10х1 №1 n_s=103;

4 – НМ 2500-230 №12 n_s=108;

5 – НМ 2500-230 №2 n_s=122;

6 – IL-21 n_s=135;

7 – НМ 7000-210 №4 n_s=160;

8 – НМ 7000-210 №5 n_s=170;

9 – НМ 7000-210 №1 n_s=197.

 

На этом же графике  пунктиром нанесена обобщенная кривая, полученная М.Д. Айзенштейном для насосов  с n_s=50÷130. Для сравнения приводятся также данные А.Иппена по насосу IL-21. Каждый насос имеет свою кривую, так как k_н зависит не только от числа Рейнольдса, но и от коэффициента быстроходности n_s. Насосы с n_s≥90 имеют k_н при всех значениях Рейнольдса больше, чем по Айзенштейну: значения лежат выше пунктирной кривой. Все кривые располагаются в определенном порядке, чем выше проходит кривая и тем больше k_н при одинаковых числах Re. По мере уменьшения числа Рейнольдса отклонения k_н от обобщенной кривой [1] возрастают, достигая Re≤3∙102 значений 20%.

3. Аналогичный вывод распространяется и на коэффициент k_η, графики для которого представлены на рис.5 для указанных на рис. 4 насосов. Графики выполнены для чисел Рейнольдса, определяемых по формулам и , где . Каждому насосу (коэффициенту n_s) соответствует отдельная кривая функции k_η. Разница в значениях k_η (при одинаковом Re) для различных насосов возрастает в обоих случаях с уменьшением Re и Re_А. Насосы большей быстроходности при одинаковом Re имеют большие значения k_η. Очевидно, что обобщение этих кривых в единую, как это сделано в [1], связано со значительным понижением точности пересчетов.

Рис.5 Кривые k_η и k_ηА в зависимости от Re и Re_A для насосов с различными n_s:

1 – НМ 2500-270 №7 n_s=90;

2 – 6 НДв n_s=60;

3 – 16НД10х1 №1 n_s=103;

4 – НМ 2500-230 №12 n_s=108;

5 – НМ 2500-230 №2 n_s=122;

6 – IL-21 n_s=135;

7 – НМ 7000-210 №4 n_s=160;

8 – НМ 7000-210 №5 n_s=170;

9 – НМ 7000-210 №1 n_s=197.

 

4. Графики (рис.5) показывают также, что форма числа Рейнольдса не оказывает существенного влияния  на точность расчетов. Можно показать, что Re_A=Q₀/(υD_экв) является комплексным параметром. Используя зависимости

ω₂/u₂=Q/(nD³₂)=φ=const;

,

 где ; φ – критерий кинематического подобия в центробежных насосах (коэффициент подачи); А – постоянная; χ – коэффициент стеснения потока на выходе из колеса телом лопаток; f – некоторая функция углов, опуская постоянные, можно записать в виде:

.

Принимая во внимание зависимость для n_s в виде и малое изменение функции , последнее выражение можно записать в виде

.

Следовательно, Re_A есть комплексный параметр, пропорциональный сочетанию числа Рейнольдса, критерия кинематического подобия φ₀ и параметра n_s0.

Естественно предположить, что параметр Re_А, включающий n_s, должен лучше обобщать конструктивные особенности насосов. Однако несущественная разница в графиках функции k_η при различном выражении Re не подтверждает этого предположения. Введение Re_A по существу вызвало лишь изменение масштаба осей абсцисс. Р. Роцтол на примере тихоходных насосов показал, что введение различных форм числа Re не увеличивает точность расчетов.

5. Анализ кривых (см. рис. 4) позволяет сделать вывод о различии для каждого насоса величины Re_п, т.е. числа при котором наступает автомодельное течение. Точки, где значение k_η становятся равными единице, различны для каждого насоса. Чем больше коэффициент быстроходности n_s, тем выше проходит кривая k_н, тем меньшим значениям Re соответствует переходное значение Re_п. На рис. 6 изображена обобщенная зависимость Re_п от n_s. Обработка произведена по 16 насосам одноступенчатым двухстороннего входа. На графике вертикальными линиями указан доверительный интервал отклонений с вероятностью 0,9.Диапазон изменения Re_п на рис.6 близок к диапазону, отмеченному К.С. Чуешко и А.Г. Сацким.

Рис.6 Зависимость переходного числа Reп от коэффициента быстроходности ns.

 

У некоторых насосов  в области переходных чисел Re_п наблюдается превышение величины k_η сверх единицы. Это указывает на то, что при вязкостях около (0,1÷0,2)∙10^-4 м²/с наблюдается некоторое повышение напорной характеристики над характеристикой, полученной при перекачке воды (см рис. 2). Явление это не случайное и отмечается многими авторами. По данным А.И. Степанова, его можно объяснить некоторым снижением влияния кориолисовых сил, приводящего к уменьшению интенсивности осевого вихря из-за роста вязкости, когда увеличение гидравлических потерь по длине еще невелико. Это приводит к некоторому росту угла выхода потока β₂, что ведет к небольшому увеличению напора. При дальнейшем увеличении вязкости гидравлические потери становятся преобладающими.

6. Во всех изложенных  исследования отмечается отсутствие  влияния вязкости жидкости на напор при нулевой подаче. Эта закономерность подтверждается многими авторами. Объяснение этого явления связано с соотношением линейных и местных потерь в закрытом насосе. Вследствие небольших вихреобразований и отрыва пограничного слоя (значительной доли ударных и диффузорных потерь) требуется более значительное увеличение вязкости жидкости по сравнению с указанной на рис.2, чтобы получить существенное влияние потерь напора на трение по длине в закрытом насосе. В опытах других авторов изменение напора при Q=0 наступало при вязкости, достигающей (15÷20)∙10^-4м²/с.