Исследование перемещения потока флюида в обратном клапане погружного насоса

Полный текст

Погружные электроприводные центробежные (лопастные) установки, введены в эксплуатацию в середине ХХ века и по настоящее время остаются наиболее востребованным и эффективным оборудованием для добычи нефти [1; 2]. Межремонтный период является основным показателем, характеризующим процесс эксплуатации скважин лопастными установками. Из рисунка 1 видно, что не малая их часть связана с износом обратного клапанного узла.

 

Рис. 1. Виды отказов погружного насоса

 

Процесс износа происходит в результате воздействия турбулентности потока среды, в состав которого входят абразивные примеси, пузырьки попутного газа [3]. Турбулентный поток с неоднородной структурой на выкиде лопастного насоса способен повысить уровень вибрации, и таким образом увеличить количество внезапных отказов лопастного насоса [7]. Для того, чтобы решить проблему преждевременного износа клапанов разработан целый ряд технических решений, что подтверждается большим количеством патентов. Патентный анализ показал, что решить эту задачу можно, замедлив процесс вихреобразования. Для чего предлагается использовать клапан с обтекаемой формой затвора в виде капли [6-8].

Материалы и методы

Геометрическая форма деталей клапана является основным фактором, определяющим значение коэффициента гидравлического сопротивления тела. Перекачиваемый флюид, перемещаясь в клапане, меняет направление так, что отрывается от поверхности его проточного канала, и это создает вихревые потоки [4; 8].

В процессе исследований получены спектры потока (рис. 2) [2] перекачиваемого флюида в клапанных парах с различной геометрической формой затвора клапана, анализ которых показал, что каплевидная форма тела (рис. 2, в) [2] более обтекаема и поток флюида в таком клапане максимально сглаженный. Каплевидную форму характеризует длинная клинообразная часть вверху и плавно закругленный низ.

 

Рис. 2. Спектры потока

 

В цифровом программном комплексе Компас 3D спроектированы модели клапанных узлов с каплевидной (рис. 3, а) и тарельчатой (рис. 3, б) формами затворов клапанов.

 

Рис. 3. Различные формы затворов в 3D-модели: а) Каплевидная форма затвора клапана (3D- модель); б) Тарельчатая форма затвора клапана (3D-модель)

 

Из цифрового поля программы Компас полученные модели интегрировали в цифровое поле программы ANSYS и создали модель с геометрией клапана с каплевидной формой затвора.

Для продолжения экспериментальных исследований затвору клапана и флюиду подобрали параметры и присвоили материалы, а затем произвели расчеты потока для клапанов с различной геометрией формы затвора (рис. 4, 5) [2].

 

Рис. 4. Расчет для клапана с каплевидной формой

 

Рис. 5. Расчет для клапана с тарельчатой формой

 

Результатом расчета стала оценка вихреобразования в потоке и степени снижения гидравлического сопротивления. Как видно из полученных на рисунках 4 и 5 расчетных зависимостей степень образования вихревых потоков в клапане с каплевидной формой затвора значительно ниже и поток стабильнее.

Результаты

Сравнительный анализ степени влияния геометрической формы затвора клапана на создание вихревых потоков (рис. 6, 7) [2] дал возможность определить и оценить степень сопротивления гидравлическому потоку жидкости при различных формах затвора клапана.

 

Рис. 6. Движение жидкости при геометрии клапана тарельчатой формы

 

Рис. 7. Движение жидкости при геометрии клапана каплевидной формы

 

Цифровое поле ANSYSа позволило смоделировать образующиеся потоки флюида в клапанном узле (рис. 8) [2].

 

Рис. 8. Модели образования вихревых потоков в клапане: а – тарельчатая форма; б – каплевидная форма

 

Результаты исследований показали, что каплевидный профиль затвора клапана обладает обтекаемой формой и его использование в конструкции клапана максимально снижает степень турбулентности потока флюида. Анализ процесса образования вихрей показал, что поток флюида в клапане с каплевидной формой затвора наиболее стабилен, поскольку через клапанный узел с такой формой затвора жидкость перетекает со скоростью 4,2 м/с, а через тарельчатый затвор – 3,9 м/с.

Результаты моделирования, полученные при проведении исследований в цифровом поле ANSIS дали возможность оценить скорости процесса образования вихревого потока в клапанном узле. Результаты исследований позволили сделать вывод, что более обтекаемую форму имеет профиль тела клапана с плавно закругленной нижней частью и более длинной клинообразной верхней частью, позволяет максимально снизить турбулентность потока перекачиваемой жидкости.

Сравнительный анализ процессов вихреобразования при исследуемых формах тела клапана показал, что вихреобразования в клапане с каплевидной формой тела значительно меньше и поток наиболее стабилен. Через каплевидную форму тела клапана поток жидкости проходит со более высокой скоростью 4,2 м/с, а через тарельчатую – 3,9 м/с. Применение такой формы обеспечит ламинарное течение перекачиваемой жидкости с минимальными завихрениями.

Об авторах

Е. Б. Думлер

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0000-0002-3370-5352

канд. техн. наук

Россия, Уфа

К. Р. Уразаков

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2202-396X

доктор техн. наук

Россия, Уфа

Э. Я. Зинатуллина

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0009-0002-7925-534X

канд. техн. наук

Россия, Уфа

А. Д. Левшук

Нижневартовский государственный университет

Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0009-0008-1838-3042
Россия, Нижневартовск

Список литературы

Дополнительные файлы