[go: up one dir, main page]

RU2532870C1 - Optimisation method of geometric parameters of side semi-spiral supply of centrifugal pump of two-sided inlet - Google Patents

Optimisation method of geometric parameters of side semi-spiral supply of centrifugal pump of two-sided inlet Download PDF

Info

Publication number
RU2532870C1
RU2532870C1 RU2013147386/06A RU2013147386A RU2532870C1 RU 2532870 C1 RU2532870 C1 RU 2532870C1 RU 2013147386/06 A RU2013147386/06 A RU 2013147386/06A RU 2013147386 A RU2013147386 A RU 2013147386A RU 2532870 C1 RU2532870 C1 RU 2532870C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
supply
section
spiral
impeller
radius
Prior art date
Application number
RU2013147386/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Иванович Кушнарев
Иван Владимирович Кушнарев
Юрий Сергеевич Обозный
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Нефтекамский машиностроительный завод" (ООО "НКМЗ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Нефтекамский машиностроительный завод" (ООО "НКМЗ") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Нефтекамский машиностроительный завод" (ООО "НКМЗ")
Priority to RU2013147386/06A priority Critical patent/RU2532870C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2532870C1 publication Critical patent/RU2532870C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: in an optimisation process of geometric parameters of side semi-spiral supply of a centrifugal pump of a two-sided inlet there specified is design supply; an average moment of speed at an impeller inlet, a rotation frequency and a radius of the impeller, as well as a law of variation of width of the section of the spiral supply part depending on variation of radius of its section. The carrying capacity of the supply is determined on their basis; a design section of its spiral part is shaped; intermediate sections of the spiral part are shaped considering the angle of contact of the spiral part. The obtained parameters of width of design and intermediate sections are reduced by 15-20%; an outlet radius of the impeller is increased by the value of up to 1%; an angle of contact is increased up to 200…210° and a shape of the cross section of the tongue is changed, thus making it smoothly converging from periphery to the centre of the impeller and a confuser section.
EFFECT: improving uniform distribution of speeds and their moments at the outlet of the supply to the impeller, which allows improving the impeller liquid inlet conditions and reducing cavitation, as well as increasing the efficiency of the pump owing to reducing supply energy losses.
2 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к проектированию и изготовлению центробежных насосов, предназначенных, в частности, для использования в качестве нефтяных магистральных насосов.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to the design and manufacture of centrifugal pumps, intended, in particular, for use as oil main pumps.

В настоящее время постоянно ужесточаются требования к характеристикам нефтяных магистральных насосов, особенно к их энергоэффективности и надежности. Связано это с тем, что нефтяные магистральные насосы имеют, как правило, большую мощность и, соответственно, потребляют много энергии. При этом в суммарной стоимости жизненного цикла насоса затраты на электроэнергию могут достигать 80%. В связи с этим даже незначительное повышение КПД насоса на 1-2% может давать существенный экономический эффект. Отсюда возникает необходимость в повышении энергоэффективности проектируемых насосов, а также в оптимизации параметров насоса.Currently, the requirements for the characteristics of oil main pumps are constantly being tightened, especially for their energy efficiency and reliability. This is due to the fact that oil main pumps have, as a rule, greater power and, accordingly, consume a lot of energy. Moreover, in the total cost of the life cycle of the pump, the cost of electricity can reach 80%. In this regard, even a slight increase in the efficiency of the pump by 1-2% can give a significant economic effect. Hence, there is a need to improve the energy efficiency of the designed pumps, as well as to optimize the pump parameters.

При этом основные сложности возникают при оптимизации проточной части насоса, включающей подвод, рабочее колесо и отвод.In this case, the main difficulties arise when optimizing the flow part of the pump, including the inlet, impeller and outlet.

Известен способ оптимизации проточной части центробежного насоса, при котором смещают максимум КПД в сторону больших подач посредством увеличения площади (расширения) входа в конический диффузор отвода (кн.: Высокооборотные лопаточные насосы. Боровский Б.И. и др. М.: Машиностроение, 1075, стр.125).There is a method of optimizing the flow of a centrifugal pump, in which the maximum efficiency is shifted towards higher feeds by increasing the area (expansion) of the entrance to the tapered cone of the outlet (book: High-speed vane pumps. Borovsky B.I. et al. M: Engineering, 1075 p. 125).

Известен способ оптимизации проточной части многоступенчатого центробежного насоса посредством оптимизации геометрических параметров элементов рабочего колеса и направляющего аппарата и выбором проходных сечений для жидкостных потоков, что позволяет уменьшить гидравлические потери и улучшить параметры напора и КПД (патент RU 2161737 с приоритетом от 02.03.2000).There is a method for optimizing the flow part of a multistage centrifugal pump by optimizing the geometric parameters of the impeller and guide vane elements and selecting flow passages for liquid flows, which allows to reduce hydraulic losses and improve the pressure and efficiency parameters (patent RU 2161737 with priority from 02.03.2000).

Известен способ оптимизации геометрических параметров проточных каналов ступеней центробежного насоса, согласно которому оптимизация заключается в расширении проточных каналов направляющего аппарата и рабочего колеса при совпадении номинального режима с режимом максимального КПД не за счет выбора параметров отвода, как это принято в насосостроении, а за счет оптимизации параметров рабочего колеса (патент RU 2472973 с приоритетом от 01.07.2011). Указанный способ позволяет увеличить срок службы насоса, а также повысить напор и КПД ступени за счет смещения режима работы с максимальным КПД в область номинальной подачи, но оптимизирует только геометрические параметры проточных каналов ступеней центробежного насоса.A known method for optimizing the geometric parameters of the flow channels of the stages of a centrifugal pump, according to which optimization consists in expanding the flow channels of the guide apparatus and the impeller when the nominal mode coincides with the maximum efficiency mode, is not due to the selection of exhaust parameters, as is customary in pump engineering, but due to optimization of parameters the impeller (patent RU 2472973 with priority from 07/01/2011). The specified method allows to increase the pump service life, as well as to increase the pressure and efficiency of the stage by shifting the operating mode with maximum efficiency to the nominal supply area, but it optimizes only the geometric parameters of the flow channels of the centrifugal pump stages.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа, выбранным в качестве прототипа, является способ оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса, приведенный в книге: Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1977, с.95-98. Согласно указанному способу весь подвод условно делится на три участка: конфузорный участок, расположенный непосредственно перед входом потока в колесо, спиральный участок подвода от конфузорного участка до переходного сечения и участок от переходного сечения до входного патрубка насоса. В примыкающей к конфузорному участку зоне спирального участка подвода устанавливают «язык», стабилизирующий обтекание вала и препятствующий поступлению жидкости в направлении против вращения рабочего колеса. Форму сечений спирального участка подвода выбирают в зависимости от допустимых габаритов насоса в осевом направлении. Подвод характеризуется расчетным и промежуточными сечениями спирального участка подвода и углом охвата спиральной части подвода. Для того чтобы приступить к расчету и профилированию подвода задают расчетную подачу подвода, средний момент скорости на входе в рабочее колесо, частоту вращения и радиус рабочего колеса, а также закон изменения ширины сечения подвода в зависимости от изменения радиуса сечения подвода. Затем на их основе определяют пропускную способность подвода и профилируют расчетное сечение спиральной части подвода, после чего с учетом угла охвата спиральной части подвода профилируют промежуточные сечения спиральной части подвода. При этом угол охвата спиральной части подвода (угол установки «языка» к входной скорости потока) составляет в пределе не более 180°, а поперечное сечение «языка» близко к постоянному. Более подробно указанный способ будет описан ниже. Предлагаемый способ позволяет в значительной степени оптимизировать геометрические параметры бокового полуспирального подвода центробежного насоса, однако при этом имеет место достаточно неравномерное распределение скоростей перекачиваемой жидкости и их моментов на входе в рабочее колесо, особенно при больших подачах насоса, вследствие разного характера течения жидкости в спиральном участке и входном канале подвода, что приводит к снижению КПД насоса и ухудшению его кавитационных качеств.The closest analogue to the claimed method for optimizing the geometric parameters of the lateral half-helical inlet of a centrifugal pump of a double-sided input, selected as a prototype, is a method for optimizing the geometric parameters of the lateral half-spiral inlet of a centrifugal pump, given in the book: Mikhailov AK, Malyushenko VV Vane pumps. Theory, calculation and construction. M.: Mechanical Engineering, 1977, pp. 95-98. According to this method, the entire supply is conventionally divided into three sections: a confuser section located immediately before the flow inlet to the wheel, a spiral supply section from the confuser section to the transition section, and a section from the transition section to the pump inlet pipe. In the zone adjacent to the confuser section of the spiral supply section, a “tongue” is installed that stabilizes the flow around the shaft and prevents the flow of fluid in the direction against rotation of the impeller. The cross-sectional shape of the spiral supply section is selected depending on the permissible axial dimensions of the pump. The approach is characterized by design and intermediate sections of the spiral supply section and the angle of coverage of the spiral part of the supply. In order to proceed with the calculation and profiling of the approach, the calculated approach feed is set, the average moment of speed at the entrance to the impeller, the rotation frequency and the radius of the impeller, as well as the law of variation of the width of the supply section depending on the change in the radius of the supply section. Then, on their basis, the supply capacity is determined and the calculated cross section of the spiral supply part is profiled, after which, taking into account the angle of the spiral supply part, the intermediate sections of the spiral supply part are profiled. In this case, the angle of coverage of the spiral part of the supply (the angle of the “tongue” to the input flow rate) is not more than 180 ° in the limit, and the cross section of the “tongue” is close to constant. In more detail, this method will be described below. The proposed method allows to significantly optimize the geometric parameters of the lateral half-helical inlet of a centrifugal pump, however, there is a rather uneven distribution of the velocities of the pumped fluid and their moments at the entrance to the impeller, especially at high pump rates, due to the different nature of the fluid flow in the spiral section and the input channel of the supply, which leads to a decrease in the efficiency of the pump and the deterioration of its cavitation qualities.

Задачей изобретения является повышение равномерности распределения скоростей перекачиваемой жидкости и их моментов и снижение вихреобразования в подводе на входе в рабочее колесо, что приводит к повышению КПД насоса и улучшению его кавитационных характеристик.The objective of the invention is to increase the uniformity of the distribution of velocities of the pumped liquid and their moments and reduce vortex formation in the inlet at the entrance to the impeller, which leads to an increase in the efficiency of the pump and improvement of its cavitation characteristics.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа, состоящего из входного канала, спиральной части, конфузорного участка перед входом потока в рабочее колесо насоса и перегородки - «языка» подвода, разделяющего потоки жидкости, идущие через входной канал и спиральную часть подвода, и характеризующегося расчетным и промежуточными сечениями спиральной части подвода и углом охвата спиральной части подвода, при котором задают расчетную подачу подвода, средний момент скорости на входе в рабочее колесо, частоту вращения и радиус рабочего колеса, а также закон изменения ширины сечения подвода в зависимости от изменения радиуса сечения подвода, на их основе определяют пропускную способность подвода и профилируют расчетное сечение спиральной части подвода, после чего с учетом угла охвата спиральной части подвода профилируют промежуточные сечения спиральной части подвода, новым является то, что полученные на основании исходных данных параметры ширины расчетного и промежуточных сечений спиральной части подвода уменьшают на 15-20%, выходной радиус рабочего колеса насоса увеличивают на величину до 1%, угол охвата спиральной части подвода увеличивают до 200…210° и изменяют форму поперечного сечения «языка», выполняя его плавно сужающимся от периферии к центру рабочего колеса и конфузорного участка подвода.The problem is solved in that in the known method for optimizing the geometric parameters of the lateral half-helical inlet of a centrifugal pump of a double-sided inlet, consisting of an inlet channel, a spiral part, a confuser section in front of the flow inlet of the pump impeller and a partition - a "tongue" of supply that separates the fluid flows through the inlet channel and the spiral part of the supply, and characterized by the calculated and intermediate sections of the spiral part of the supply and the angle of coverage of the spiral part of the supply, at which They specify the estimated feed rate of the supply, the average moment of speed at the entrance to the impeller, the rotational speed and radius of the impeller, as well as the law of variation of the width of the supply section depending on the change in the radius of the supply section, on the basis of this determine the delivery capacity and profile the calculated cross section of the spiral part supply, after which, taking into account the angle of coverage of the spiral supply part, the intermediate sections of the spiral supply part are profiled, new is that the parameters of width p obtained on the basis of the initial data of counting and intermediate sections of the spiral part of the supply is reduced by 15-20%, the output radius of the impeller of the pump is increased by 1%, the angle of coverage of the spiral part of the supply is increased to 200 ... 210 ° and the cross-sectional shape of the “tongue” is changed, making it gradually tapering from the periphery to the center of the impeller and the confuser supply section.

Уменьшение пропускной способности подвода за счет уменьшения на 15-20% ширины расчетного и промежуточных сечений спиральной части подвода соответственно увеличивает окружную скорость потока на входе в рабочее колесо и улучшает равномерность потока жидкости на входе в колесо и кавитационные качества колеса и насоса.A decrease in the supply capacity due to a 15-20% reduction in the width of the calculated and intermediate sections of the spiral part of the supply, respectively, increases the peripheral flow rate at the entrance to the impeller and improves the uniformity of the fluid flow at the entrance to the wheel and the cavitation qualities of the wheel and pump.

Увеличение выходного радиуса рабочего колеса насоса на величину до 1% компенсирует снижение напора насоса при уменьшении на 15-20% пропускной способности подвода.An increase in the output radius of the pump impeller by up to 1% compensates for a decrease in the pump head with a 15–20% decrease in the supply capacity.

Увеличение охвата спиральной части подвода до 200…210° и изменение формы поперечного сечения «языка», выполненного плавно сужающимся от периферии к центру рабочего колеса и конфузорного участка подвода, улучшает равномерность входа потока в рабочее колесо и снижает потери энергии в подводе.Increasing the coverage of the spiral part of the supply up to 200 ... 210 ° and changing the cross-sectional shape of the “tongue” made smoothly tapering from the periphery to the center of the impeller and the confuser portion of the supply improves the uniformity of the flow inlet to the impeller and reduces energy loss in the supply.

Сущность настоящего изобретения иллюстрируется следующими чертежами.The essence of the present invention is illustrated by the following drawings.

Фиг.1 - внешний вид модернизированного нефтяного насоса двухстороннего входа типа НМ с оптимизированным боковым полуспиральным подводом;Figure 1 - appearance of the upgraded oil pump of a bilateral entrance type NM with optimized lateral half-spiral inlet;

Фиг.2 - схематичная 3-D модель боковых полуспиральных подводов и спирального отвода центробежного насоса двухстороннего входа;Figure 2 is a schematic 3-D model of lateral half-spiral inlets and a spiral outlet of a centrifugal pump of a double-sided inlet;

Фиг.3 - схема полуспирального подвода;Figure 3 - diagram of the semi-spiral supply;

Фиг.4 - расчетное сечение полуспирального подвода;Figure 4 - calculated cross-section of the semi-spiral supply;

Фиг.5 - расчетные последние сечения известного (прототип) и предлагаемого полуспирального подвода;Figure 5 - calculated last section of the known (prototype) and the proposed semi-spiral supply;

Фиг.6 - векторные планы скоростей потоков перекачиваемой жидкости на входе в рабочее колесо известного и предлагаемого полуспирального подвода;6 is a vector diagram of the flow rates of the pumped liquid at the entrance to the impeller of the known and proposed semi-spiral supply;

Фиг.7 - схема подвода с углом охвата спиральной части 180°;7 is a supply diagram with a coverage angle of the spiral part of 180 °;

Фиг.8 - схема подвода с углом охвата спиральной части 210°;Fig. 8 is a supply diagram with a coverage angle of the spiral portion of 210 °;

Фиг.9 - расчет полей скоростей течения потока жидкости на входе в рабочее колесо в известном подводе (распределение модуля скорости в известном подводе);Fig.9 - calculation of the velocity fields of the fluid flow at the entrance to the impeller in a known supply (distribution of the speed module in a known supply);

Фиг.10 - расчет полей скоростей течения потока жидкости на входе в рабочее колесо в предлагаемом подводе (распределение модуля скорости в предлагаемом подводе).Figure 10 - calculation of the velocity fields of the fluid flow at the entrance to the impeller in the proposed supply (distribution of the speed module in the proposed supply).

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием операций оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа, раскрытых в кн.: Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1977, стр.95-98 (прототип), с внесением соответствующих изменений и добавлений. Общий вид центробежного насоса двухстороннего входа и схематичная 3-D модель боковых полуспиральных подводов и спирального отвода центробежного насоса двухстороннего входа представлены на Фиг.1, 2. Боковой полуспиральный подвод 9 центробежного насоса, как было отмечено выше, состоит из входного канала 10 (участок от входного патрубка 11 до сечения G-H), спиральной части 12 (участок подвода от 1-8 до переходного сечения G-H), конфузорного участка 13 (входной горловины или воронки), расположенного непосредственно перед входом потока в рабочее колесо насоса 14, и перегородки - «языка» 15 подвода, разделяющего потоки жидкости, идущие через входной канал 10 и спиральную часть подвода 12 (Фиг.3). «Язык» 15 обычно устанавливают в сечении 0, расположенным под углом 45° к направлению потока, но при необходимости его можно переместить в сечение 2, т.е. установить под углом 90° к направлению входной скорости потока без существенного изменения характеристик и КПД насоса. Дальнейшего смещения языка не рекомендуется. Такие устройства подвода жидкости позволяют организовать циркуляционное обтекание проходного вала насоса и снизить тем самым потери на вихреобразование на входе в рабочее колесо насоса.The proposed method can be implemented using operations to optimize the geometric parameters of the lateral half-helical inlet of a centrifugal pump of a double-sided inlet, disclosed in the book: Vane pumps. Theory, calculation and construction. M .: Engineering, 1977, pp. 95-98 (prototype), with the introduction of appropriate changes and additions. A general view of the double-sided centrifugal pump and the schematic 3-D model of the lateral half-spiral inlets and the spiral outlet of the double-sided centrifugal pump are shown in Figs. 1, 2. The half-spiral lateral inlet 9 of the centrifugal pump, as noted above, consists of an input channel 10 (section from the inlet pipe 11 to the cross-section GH), the spiral part 12 (the supply section from 1-8 to the transitional cross-section GH), the confuser section 13 (inlet or funnel) located immediately in front of the flow inlet pump 14, and the partition - the "tongue" 15 of the inlet, dividing the fluid flows through the inlet channel 10 and the spiral part of the inlet 12 (Figure 3). The “tongue” 15 is usually set in section 0, located at an angle of 45 ° to the direction of flow, but if necessary, it can be moved to section 2, i.e. set at an angle of 90 ° to the direction of the input flow rate without significant changes in the characteristics and efficiency of the pump. Further displacement of the tongue is not recommended. Such fluid supply devices make it possible to circulate the flow around the pump shaft and thereby reduce vortex losses at the inlet to the pump impeller.

Профилирование подвода осуществляют посредством определения геометрических параметров последнего и промежуточного сечений спирального участка подвода. В качестве последнего сечения спирального участка подвода выбирают сечение 8 (Фиг.3). Для того чтобы приступить к расчету и профилированию полуспирального подвода, необходимо выбрать конструктивную схему насоса и задать параметры Q, H, n, где: Q - подача насоса, м3/с; Н - напор насоса, м; n - частота вращения рабочего колеса, об/мин и R - радиус входа в подвод, м. Затем определяют пропускную способность подвода для расчетного сечения спирального участка подвода (сечение A8), м, используя для этого формулу:Profiling of the supply is carried out by determining the geometric parameters of the last and intermediate sections of the spiral section of the supply. As the last section of the spiral supply section, section 8 is selected (Figure 3). In order to proceed with the calculation and profiling of a half-spiral supply, it is necessary to select the pump design and set the parameters Q, H, n, where: Q - pump flow, m 3 / s; N - pump head, m; n is the impeller rotation frequency, rpm and R is the radius of the entrance to the inlet, m. Then, the inlet capacity is determined for the calculated cross section of the spiral supply section (section A 8 ), m, using the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где:Where:

Kp=1,6…3,0 - коэффициент, полученный по экспериментальным данным.K p = 1.6 ... 3.0 - coefficient obtained by experimental data.

Для колес с двусторонним входом:For wheels with two-way entry:

Figure 00000002
Figure 00000002

При этом распределение скоростей в сечениях 1-8 принимается исходя из того, что момент скорости:The velocity distribution in sections 1-8 is taken based on the fact that the moment of speed:

Vur=constV u r = const

где:Where:

Vu - окружная скорость на входе в колесо, м/с;V u - peripheral speed at the entrance to the wheel, m / s;

r - радиус сечения, м.r is the radius of the section, m

Тогда пропускная способность сечения (Фиг.4):Then the cross-sectional capacity (Figure 4):

Figure 00000003
Figure 00000003

где:Where:

b - ширина сечения, м;b - section width, m;

r8max - максимальный радиус расчетного сечения, м;r 8max is the maximum radius of the calculated section, m;

r0 - радиус выхода из подвода, м.r 0 - radius of exit from the supply, m.

bi=f(ri) - закон изменения bi, определяется по известным конструкциям насосов.bi = f (ri) - the law of change b i , is determined by the known design of the pumps.

Затем уменьшают параметры ширины последнего и промежуточных сечений спиральной части подвода на 15-20% (Фиг.5), тогдаThen, the width parameters of the last and intermediate sections of the spiral part of the supply are reduced by 15-20% (Figure 5), then

Figure 00000004
Figure 00000004

где:Where:

КП=0,8…0,85 - поправочный коэффициент.To P = 0.8 ... 0.85 - correction factor.

СоответственноRespectively

Figure 00000005
Figure 00000005

Профилирование промежуточных сечений спиральной части подвода осуществляют на основе соотношения:Profiling of intermediate sections of the spiral part of the supply is carried out on the basis of the ratio:

Figure 00000006
Figure 00000006

где:Where:

Api - пропускная способность подвода для расчетного сечения спирального участка подвода для колес с двусторонним входом, м;A pi is the supply capacity for the calculated cross section of the spiral supply section for wheels with a two-sided input, m;

rimax - максимальный радиус расчетного сечения, м;r imax is the maximum radius of the calculated section, m;

Промежуточные сечения i спирального участка подвода строятся так, чтобы пропускная способность убывала пропорционально углу расположения сечения в планеThe intermediate sections i of the spiral supply section are constructed so that the throughput decreases in proportion to the angle of the section in the plan

Figure 00000007
Figure 00000007

где:Where:

φi - угол расположения сечения (отсчитывается от языка), град;φ i - the angle of the section (measured from the tongue), degrees;

φ8 - угол расположения расчетного сечения спирального участка подвода (отсчитывается от языка), град.φ 8 - the angle of the estimated cross-section of the spiral supply section (measured from the tongue), deg.

Контуры подвода, осевые размеры b0 и закон изменения bi=f(ri) выбирают по выполненным конструкциям насоса. Затем осуществляют графическое построение спиральной части насоса.Inlet contours, axial dimensions b 0 and the law of change b i = f (r i ) are selected according to the completed pump designs. Then carry out a graphical construction of the spiral part of the pump.

При этом выходной радиус рабочего колеса насоса увеличивают на величину до 1%, угол охвата спиральной части подвода увеличивают до 200…210° и изменяют форму поперечного сечения «языка», выполняя его плавно сужающимся от периферии к центру рабочего колеса и конфузорного участка подвода.The output radius of the impeller of the pump is increased by up to 1%, the angle of coverage of the spiral part of the inlet is increased to 200 ... 210 ° and the cross-sectional shape of the “tongue” is changed, making it gradually tapering from the periphery to the center of the impeller and the confuser portion of the inlet.

При построении сечений проточной части полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа можно использовать методы 3-D моделирования, в частности кривые Безье, см., например: Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики. М.: Мир, 2001.When constructing cross-sections of the flowing part of a semi-spiral inlet of a centrifugal pump of a double-sided inlet, 3-D modeling methods can be used, in particular Bezier curves, see, for example: Rogers D., Adams J. Mathematical foundations of computer graphics. M .: Mir, 2001.

Преимущества предложенного технического решения подтверждаются анализом векторных планов скоростей потоков перекачиваемой жидкости на входе в рабочее колесо известного и предлагаемого полуспирального подвода, Фиг.6, где:The advantages of the proposed technical solution are confirmed by the analysis of vector plans for the flow rates of the pumped liquid at the entrance to the impeller of the known and proposed semi-spiral supply, Fig.6, where:

V1, V 1

Figure 00000008
- абсолютная скорость потока на входе в рабочее колесо (V1 - прототип, V 1
Figure 00000008
- предлагаемый подвод), м/с;V 1 V one
Figure 00000008
- absolute flow rate at the entrance to the impeller (V 1 - prototype, V one
Figure 00000008
- proposed supply), m / s;

Vu1, V u 1

Figure 00000009
- окружная составляющая абсолютной скорости потока на входе в рабочее колесо, м/с;V u1 , V u one
Figure 00000009
- circumferential component of the absolute flow velocity at the entrance to the impeller, m / s;

Vu, V u

Figure 00000010
- радиальная составляющая скорости потока на входе в рабочее колесо, м/с;V u V u
Figure 00000010
- the radial component of the flow velocity at the entrance to the impeller, m / s;

W1, W 1

Figure 00000011
- относительная скорость потока на входе в рабочее колесо, м/с;W 1 W one
Figure 00000011
- relative flow rate at the entrance to the impeller, m / s;

U1, U 1

Figure 00000012
- переносная скорость потока на входе в рабочее колесо, м/с.U 1 U one
Figure 00000012
- portable flow rate at the entrance to the impeller, m / s.

Согласно уравнению Эйлера из теории лопастных гидромашин удельная работа лопастного колеса равнаAccording to the Euler equation from the theory of paddle hydraulic machines, the specific work of the paddle wheel is equal to

Figure 00000013
Figure 00000013

где:Where:

ω - угловая скорость вращения лопастного колеса;ω is the angular speed of rotation of the impeller;

g - ускорение свободного падения;g is the acceleration of gravity;

R1 - радиус входа в рабочее колесо;R 1 is the radius of the entrance to the impeller;

R2 - радиус выхода из рабочего колеса;R 2 is the radius of the exit of the impeller;

Vu1 - окружная составляющая скорости на входе в рабочее колесо;V u1 is the peripheral component of the velocity at the entrance to the impeller;

Vu2 - окружная составляющая скорости на выходе из рабочего колеса.V u2 is the peripheral component of the velocity at the exit of the impeller.

Исходя из данного уравнения увеличивая Vu1 окружную составляющую скорости потока на входе в рабочее колесо в предлагаемом подводе (за счет уменьшения пропускной способности расчетного и промежуточных сечений подвода, Фиг.5) одновременно немного снижается напор насоса. Однако, как известно из теории лопастных гидромашин, также следует учитывать, что напор насоса зависит от окружной скорости на входе линейно, а от радиуса колеса на выходе зависимость квадратичная. Поэтому небольшое (по расчетам менее 1%) увеличение выходного радиуса рабочего колеса может компенсировать снижение напора колеса, произошедшее вследствие изменения геометрии конструкции подводящего устройства. На Фиг.5 на примере расчетного последнего сечения спирального участка подвода показано уменьшение указанного сечения 16 в предлагаемом подводе по сравнению с сечением 17 подвода прототипа, а на Фиг.6 на векторных планах скоростей потоков показано соответствующее увеличение окружной составляющей абсолютной скорости потока на входе в рабочее колесо V u 1

Figure 00000014
в предлагаемом подводе по сравнению с окружной составляющей абсолютной скорости на входе в рабочее колесо Vu1 подвода прототипа, при котором V u 1 > U u 1
Figure 00000015
. Увеличение V u 1
Figure 00000016
улучшает равномерность потока жидкости на входе в рабочее колесо и кавитационные качества колеса и насоса. На Фиг.7, 8 представлены схемы подвода с углом охвата спиральной части 180° (геометрия подвода прототипа) и углом охвата спиральной части 210° (геометрия предлагаемого подвода) и с разными формами языка 15. Данные выводы подтверждаются результатами расчетного моделирования в компьютерном пакете STAR ССМ+ течения жидкости в конфузорных участках 13 предлагаемого подвода и подвода прототипа. Моделировалось течение жидкости в полуспиральных подводах нефтяного магистрального насоса типа НМ 3600-230 (подача 3600 м3/с, напор 230 м, частота вращения вала 3000 об/мин). Степень равномерности моментов скорости потоков жидкости можно визуально оценить по степени однородности цветовых оттенков компьютерных рисунков на Фиг.9, 10. Чем равномернее распределение моментов скоростей, тем однороднее оттенок полученного рисунка. При этом в числовых данных среднее значение момента скорости жидкости на выходе из подвода прототипа составило 0,6 м2/с, а относительное среднеквадратичное отклонение момента скорости около 40%, для предлагаемого в результате оптимизации подвода те же величины составили 1,41 м2/с и 10%, т.е. степень равномерности момента скорости увеличивается в среднем в 4 раза, а величина скорости момента более чем в 2 раза.Based on this equation, increasing V u1 the peripheral component of the flow rate at the entrance to the impeller in the proposed supply (by reducing the capacity of the calculated and intermediate supply sections, Figure 5) at the same time slightly reduces the pump head. However, as is known from the theory of blade hydraulic machines, it should also be taken into account that the pump head depends linearly on the peripheral speed at the inlet, and the dependence is quadratic on the radius of the wheel at the output. Therefore, a small (estimated less than 1%) increase in the output radius of the impeller can compensate for the decrease in pressure of the wheel, which occurred due to a change in the geometry of the design of the supply device. In Fig. 5, for example, the calculated last section of the spiral supply section shows a decrease in the indicated section 16 in the proposed supply as compared with the prototype supply section 17, and Fig. 6 on the vector plans of flow velocities shows a corresponding increase in the peripheral component of the absolute flow velocity at the input to the working wheel V u one
Figure 00000014
in the proposed supply in comparison with the peripheral component of the absolute speed at the entrance to the impeller V u1 supply of the prototype, in which V u one > U u one
Figure 00000015
. Increase V u one
Figure 00000016
improves the uniformity of fluid flow at the entrance to the impeller and the cavitation properties of the wheel and pump. 7, 8 are diagrams of the approach with the angle of coverage of the spiral part 180 ° (geometry of the supply of the prototype) and the angle of coverage of the spiral part of 210 ° (geometry of the proposed approach) and with different forms of language 15. These conclusions are confirmed by the results of computational modeling in the STAR computer package CCM + fluid flow in the confuser sections 13 of the proposed supply and supply of the prototype. The fluid flow was simulated in the semi-helical inlets of an oil main type pump НМ 3600-230 (supply 3600 m 3 / s, pressure 230 m, shaft rotation speed 3000 rpm). The degree of uniformity of the moments of the velocity of fluid flows can be visually assessed by the degree of uniformity of the color shades of the computer drawings in Figures 9, 10. The more uniform the distribution of the moments of velocities, the more uniform the shade of the resulting pattern. Moreover, in the numerical data, the average value of the moment of fluid velocity at the outlet of the prototype inlet was 0.6 m 2 / s, and the relative standard deviation of the velocity moment was about 40%, for the proposed supply as a result of optimization, the same values were 1.41 m 2 / s and 10%, i.e. the degree of uniformity of the moment of speed increases on average 4 times, and the magnitude of the speed of the moment is more than 2 times.

Предлагаемое изобретение практически использовано в рамках проекта ООО «НКМЗ» инновационной модернизации магистральных нефтяных насосов серии НМ (Фиг.1).The present invention was practically used in the framework of the project of LLC "NKMZ" innovative modernization of main oil pumps of the NM series (Figure 1).

Таким образом, предлагаемый способ оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа позволяет получить гораздо более равномерное распределение скоростей и их моментов на выходе из подвода в колесо, что улучшает условия входа жидкости в рабочее колесо и снижает потери энергии в подводе, вследствие чего повышается КПД насоса (ориентировочно на 1%, что для нефтяных насосов является достаточно значимой величиной) и улучшаются его кавитационные свойства.Thus, the proposed method for optimizing the geometric parameters of the lateral half-helical inlet of a centrifugal pump of a double-sided inlet allows one to obtain a much more uniform distribution of velocities and their moments at the outlet of the inlet to the wheel, which improves the conditions for liquid to enter the impeller and reduces energy loss in the inlet, thereby increasing Pump efficiency (approximately 1%, which is a significant value for oil pumps) and its cavitation properties are improved.

Claims (2)

1. Способ оптимизации геометрических параметров бокового полуспирального подвода центробежного насоса двухстороннего входа, состоящего из входного канала, спиральной части, конфузорного участка перед входом потока в рабочее колесо насоса и перегородки - «языка» подвода, разделяющего потоки жидкости, идущие через входной канал и спиральную часть подвода, и характеризующегося расчетным и промежуточными сечениями спиральной части подвода и углом охвата спиральной части подвода, при котором задают расчетную подачу подвода, средний момент скорости на входе в рабочее колесо, частоту вращения и радиус рабочего колеса, а также закон изменения ширины сечения спиральной части подвода в зависимости от изменения радиуса сечения подвода, на их основе определяют пропускную способность подвода и профилируют расчетное сечение спиральной части подвода, после чего с учетом угла охвата спиральной части подвода профилируют промежуточные сечения спиральной части подвода, отличающийся тем, что полученные на основании исходных данных параметры ширины расчетного и промежуточных сечений спиральной части подвода уменьшают на 15-20%, выходной радиус рабочего колеса насоса увеличивают на величину до 1%, угол охвата спиральной части подвода увеличивают до 200…210° и изменяют форму поперечного сечения «языка», выполняя его плавно сужающимся от периферии к центру рабочего колеса и конфузорного участка подвода.1. A method for optimizing the geometric parameters of a lateral half-helical inlet of a double-sided centrifugal pump, consisting of an inlet channel, a spiral part, a confuser section in front of the flow inlet of the pump impeller and a partition - the “tongue” of the inlet separating the fluid flows through the inlet channel and the spiral part supply, and characterized by the calculated and intermediate sections of the spiral part of the supply and the angle of coverage of the spiral part of the supply, at which the calculated supply of the supply is set, the average moment t is the velocity at the entrance to the impeller, the rotational speed and radius of the impeller, as well as the law of changing the width of the cross section of the spiral supply part, depending on the change in the radius of the supply cross section, based on them, determine the supply capacity and profile the calculated cross section of the spiral supply part, after which taking into account the angle of coverage of the spiral part of the supply, intermediate sections of the spiral part of the supply are profiled, characterized in that the parameters of the width of the calculated and intermediate sections obtained on the basis of the initial data th spiral part of the supply is reduced by 15-20%, the output radius of the impeller of the pump is increased by 1%, the coverage angle of the spiral part of the supply is increased to 200 ... 210 ° and the cross-section of the “tongue” is changed, making it gradually tapering from the periphery to the center of the impeller and the confusion section of the supply. 2. Способ оптимизации по п.1, отличающийся тем, что пропускную способность для расчетного сечения спирального участка подвода для колес с двусторонним входом определяют из соотношения:
Figure 00000017

где:
Ap8 - пропускная способность подвода для расчетного сечения спирального участка подвода для колес с двусторонним входом, м;
Kp=1,6…3,0 - коэффициент, полученный по экспериментальным данным;
Кп=0,8…0,85 - поправочный коэффициент;
при этом профилирование расчетного сечения спиральной части подвода осуществляют на основе соотношения:
Figure 00000018

где:
r - радиус сечения, м;
r8max - максимальный радиус расчетного сечения, м;
r0 - радиус выхода из подвода, м;
а профилирование промежуточных сечений спиральной части подвода осуществляют на основе соотношения:
Figure 00000019

где:
Api - пропускная способность подвода для расчетного сечения спирального участка подвода для колес с двусторонним входом, м;
rimax - максимальный радиус расчетного сечения, м;
причем промежуточные сечения i спирального участка подвода строятся так, чтобы пропускная способность убывала пропорционально углу расположения сечения в плане
Figure 00000020

где:
φi - угол расположения сечения (отсчитывается от языка), град;
φ8 - угол расположения расчетного сечения спирального участка подвода (охватываемый угол, отсчитывается от языка), равный 200…210°.
2. The optimization method according to claim 1, characterized in that the throughput for the calculated cross-section of the spiral supply section for wheels with a two-way input is determined from the ratio:
Figure 00000017

Where:
A p8 is the supply capacity for the calculated cross-section of the spiral supply section for wheels with a two-sided entrance, m;
Kp = 1.6 ... 3.0 - coefficient obtained from experimental data;
Kp = 0.8 ... 0.85 - correction factor;
while profiling the calculated cross section of the spiral part of the supply is carried out on the basis of the ratio:
Figure 00000018

Where:
r is the radius of the section, m;
r 8max is the maximum radius of the calculated section, m;
r 0 is the radius of the exit from the supply, m;
and profiling of the intermediate sections of the spiral part of the supply is carried out on the basis of the ratio:
Figure 00000019

Where:
A pi is the supply capacity for the calculated cross section of the spiral supply section for wheels with a two-sided input, m;
r imax is the maximum radius of the calculated section, m;
moreover, the intermediate sections i of the spiral supply section are constructed so that the throughput decreases in proportion to the angle of the section in the plan
Figure 00000020

Where:
φ i - the angle of the section (measured from the tongue), degrees;
φ 8 - the angle of the calculated cross-section of the spiral supply section (the angle covered is measured from the tongue), equal to 200 ... 210 °.
RU2013147386/06A 2013-10-24 2013-10-24 Optimisation method of geometric parameters of side semi-spiral supply of centrifugal pump of two-sided inlet RU2532870C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147386/06A RU2532870C1 (en) 2013-10-24 2013-10-24 Optimisation method of geometric parameters of side semi-spiral supply of centrifugal pump of two-sided inlet

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147386/06A RU2532870C1 (en) 2013-10-24 2013-10-24 Optimisation method of geometric parameters of side semi-spiral supply of centrifugal pump of two-sided inlet

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2532870C1 true RU2532870C1 (en) 2014-11-10

Family

ID=53382516

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013147386/06A RU2532870C1 (en) 2013-10-24 2013-10-24 Optimisation method of geometric parameters of side semi-spiral supply of centrifugal pump of two-sided inlet

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2532870C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716523C1 (en) * 2019-02-27 2020-03-12 Александр Андреевич Вихлянцев Method for centrifugal pump flow part elements shape optimization
RU2727223C1 (en) * 2019-12-11 2020-07-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Method of profiling the elements of the flowing part of the blade machine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU669091A1 (en) * 1976-03-22 1979-06-25 Всесоюзный Научно-Исследовательский И Проектно-Конструкторский Институт Атомного И Энергетического Насосостроения Twin-flow blade pump
US7559742B2 (en) * 2004-05-06 2009-07-14 Hitachi Industries Co., Ltd. Inlet casing and suction passage structure
CN101892989A (en) * 2010-06-13 2010-11-24 西安航天泵业有限公司 High-pressure double suction pump
RU110145U1 (en) * 2010-11-24 2011-11-10 Научно-производственное общество с ограниченной ответственностью "Фенокс" CENTRIFUGAL PUMP BODY
RU2011144482A (en) * 2011-11-03 2013-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Нефтекамский машиностроительный завод" (ООО "НКМЗ") LATERAL SEMI-SPIRAL INLET OF A CENTRIFUGAL PUMP OF TWO-WAY INPUT

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU669091A1 (en) * 1976-03-22 1979-06-25 Всесоюзный Научно-Исследовательский И Проектно-Конструкторский Институт Атомного И Энергетического Насосостроения Twin-flow blade pump
US7559742B2 (en) * 2004-05-06 2009-07-14 Hitachi Industries Co., Ltd. Inlet casing and suction passage structure
CN101892989A (en) * 2010-06-13 2010-11-24 西安航天泵业有限公司 High-pressure double suction pump
RU110145U1 (en) * 2010-11-24 2011-11-10 Научно-производственное общество с ограниченной ответственностью "Фенокс" CENTRIFUGAL PUMP BODY
RU2011144482A (en) * 2011-11-03 2013-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Нефтекамский машиностроительный завод" (ООО "НКМЗ") LATERAL SEMI-SPIRAL INLET OF A CENTRIFUGAL PUMP OF TWO-WAY INPUT

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
МИХАЙЛОВ А.К., МАЛЮШЕНКО В.В. Лопастные насосы.Теория, расчет и конструирование. Москва. Машиностроение, 1977, с.95-98. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716523C1 (en) * 2019-02-27 2020-03-12 Александр Андреевич Вихлянцев Method for centrifugal pump flow part elements shape optimization
RU2727223C1 (en) * 2019-12-11 2020-07-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Method of profiling the elements of the flowing part of the blade machine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102032217B (en) Method for optimizing dummy plate of double-volute type double-suction pump and product produced with same
Zhang et al. Optimization design of multiphase pump impeller based on combined genetic algorithm and boundary vortex flux diagnosis
Li Effects of viscosity on turbine mode performance and flow of a low specific speed centrifugal pump
CN102364083B (en) Long-short blade rotating wheel for mixed flow pump turbine
CN109344444B (en) An energy loss evaluation method for the optimization effect of torque converter blade angle
Lewis et al. Major historical developments in the design of water wheels and Francis hydroturbines
Adhikari et al. Computational analysis of part-load flow control for crossflow hydro-turbines
US11215189B2 (en) Method for designing an impeller with a small hub-tip ratio and a rim-driven pump obtained by the method
Rezvaya et al. Using mathematical modeling for determination the optimal geometric parameters of a pump-turbine water passage
CN105156360A (en) Hydraulic optimization method for flow channel type guide vane of multistage centrifugal pump under multiple working conditions
CN108984983B (en) A blade angle optimization method to improve the comprehensive efficiency of adjustable hydraulic torque converter
Thapa et al. Design optimization of Francis runners for sediment handling
RU2532870C1 (en) Optimisation method of geometric parameters of side semi-spiral supply of centrifugal pump of two-sided inlet
Wang et al. Strategies employed in the design and optimization of pump as turbine runner
Lugovaya et al. Revisited designing of intermediate stage guide vane of centrifugal pump
Rezvaya et al. Study of the characteristics of the runner blade system of a hydraulic machine
CN104235055B (en) A kind of hydraulic model method for designing of big diameter elbow slurry circulating pump
Tran et al. Application of Liutex and entropy production to analyze the influence of vortex rope in the Francis-99 turbine draft tube
Hou et al. Hydraulic design of inlet guide vane and its full flow passage numerical simulation on centrifugal pump
Böhle A theoretical method to improve the side channel pump efficiency
Simpson et al. Design of propeller turbines for pico hydro
CN104165156A (en) Method for designing axial flow pump impeller with unequal outlet circulation distribution
RU2452875C2 (en) Rotary pump impeller
Kochevsky et al. Simulation of flow inside an axial-flow pump with adjustable guide vanes
Gradilenko et al. Overview of methods for optimizing the flow of the centrifugal pump