Вход
  1. Главная
  2. Журналы
  3. Территория "Нефтегаз"
  4. Территория "Нефтегаз" 11-12.2024
Территория Нефтегаз 11-12.2024

Научная статья

EDN: QSCJEM

УДК 621.891:621.671
(UDK 621.891:621.671)

Для получения доступа к статьям

Авторизуйтесь

МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСЕВОЙ СИЛЫ СТУПЕНИ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ

(METHODS TO MEASURE THE AXIAL FORCE OF THE ELECTRIC VANE PUMP STAGE)

Работоспособность осевых сопряжений ступеней насоса в значительной степени определяется осевой силой, которая зависит от многих факторов, как конструкционных, так и эксплуатационных. Изменение величины осевой силы или ее высокие значения при проектировании ступени приводят к изнашиванию осевых сопряжений и, соответственно, увеличению зазоров. Полный износ антифрикционных шайб рабочих колес вызывает рост момента сопротивления вследствие контакта металлических поверхностей. При нулевой величине осевой силы положение рабочего колеса в осевом направлении неустойчиво и может сопровождаться «всплытием». Методики расчета осевой силы предполагают использование ряда допущений, что отражается на их точности. Применение вычислительной гидродинамики для уточнения известных расчетных зависимостей, конструкторско-технологическая и трибологическая оптимизация требуют верификации результатов. С этой целью разработаны стенд для испытаний ступеней или сборки ступеней и устройство для измерения осевой силы, включающее упругие элементы с тензометрическими датчиками, на которые опирается ступица рабочего колеса в составе сборки ступеней, перемещающегося в пределах установленных осевых зазоров. Осевые зазоры рассчитываются с учетом реальных осевых зазоров в сопряжениях рабочего колеса и направляющего аппарата, упругих деформаций датчика. Устойчивость вала при вращении обеспечивается установкой концевого радиального подшипника. Для снижения потерь от трения в зоне контакта ступицы рабочего колеса с датчиком применяется пара «полимер – металл». Приведены методика определения осевой силы с использованием сборки «направляющий аппарат – рабочее колесо – направляющий аппарат» при ступенчатом регулировании подачи и результаты измерений. Характер изменения осевой силы коррелирует с графиком напора при различных условиях опыта. Адекватность методики измерения подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований в зарубежных источниках.

The performance of the axial interfaces of pump stages is largely determined by the axial force, which depends on many factors, such as design and operation. In the pump stage design process, change in the axial force or higher axial force causes wear-and-tear of axial interfaces and opened-up clearances, accordingly. Complete wear-and-tear of impeller antiskid washers increases the drag torque due to the metal-to-metal contact. When the axial force is zero, the axial position of the impeller is unstable and may “float-up”. Axial force calculation methods involve a number of assumptions which affects their accuracy. Application of computational fluid dynamics to validate the known calculation dependencies, design engineering, and tribological optimization require verification of the results. This has been achieved by designing a stage or stage assembly test bench and an axial force instrument, including elastic elements with strain gauges. The impeller hub as part of the stage assembly rests on the test bench and moves within the pre-set axial clearances. The axial clearances are calculated subject to the actual axial clearances in the impeller/stage guide vanes interface, and to elastic strain readings of the gauge. The stability of the rotating shaft is achieved by installing a radial end bearing. A polymer-to-metal contact pair is used to reduce friction losses in the impeller hub/gauge contact area. This paper presents the axial force measurement methods using the ‘guide vane – impeller – guide vane’ assembly with stage control and the results of measurements. The axial force variation pattern correlates with the head curve under different test conditions. The adequacy of the measurement methods is supported by the results of theoretical and experimental studies in foreign literature.

ЭЛЕКТРОПРИВОДНОЙ ЛОПАСТНОЙ НАСОС, СТУПЕНЬ НАСОСА, ОСЕВАЯ СИЛА, ИЗНОС, ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД

ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMP, PUMP STAGE, AXIAL FORCE, WEAR-AND-TEAR, TEST BENCH

Н.И. Смирнов1, e-mail: smir1947@yandex.ru;

Н.Н. Смирнов1, e-mail: trenie12@yandex.ru


1 ФГБУН Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (Москва, Россия).

N.I. Smirnov1, e-mail: smir1947@yandex.ru;

N.N. Smirnov1, e-mail: trenie12@yandex.ru


1 Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences (Moscow, Russia).

Смирнов Н.И., Смирнов Н.Н. Методика измерения осевой силы ступени установок электроприводных лопастных насосов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2024. № 11–12. С. 60–66. EDN: QSCJEM.

Smirnov NI, Smirnov NN. Methods to measure the axial force of the electric vane pump stage. Oil and Gas Territory [Territorija “NEFTEGAS”]. 2024; (11–12): 60–66. (In Russian)

Zhu H., Zhu J., Zhou Z., et. al Wear and its effect on electrical submersible pump ESP performance degradation by sandy flow: experiments and modeling // Proceedings of the Offshore Technology Conference. Houston, TX, USA: ASME, 2019. Аrticle ID OTC-29480-MS. DOI: 10.4043/29480-MS.

Gulich J.F. (ed.). Centrifugal pumps. Berlin, New York: Springer, 2010. 964 p.

Patil A., Kasprzyk M., Delgado A., Morrison G. Effect of leakage flow path wear on axial thrust in downhole electrical submersible pump unit // J. Fluids Eng. 2020. Vol. 142, No. 5. Аrticle ID 051202. DOI: 10.1115/1.4045571.

Cao W., Dai X., Hu Q. Effect of impeller reflux balance holes on pressure and axial force of centrifugal pump // J. Cent. South Univ. 2015. Vol. 22. P. 1695−1706. DOI: 10.1007/s11771‑015‑2688‑2.

Marsis E., Patil A., Baillargeon D., et. al A state-of-the-art modeling technique for thrust prediction in bottom hole electrical submersible pumps // Proceedings of the SPE Artificial Lift Conference − Latin America and Caribbean. Salvador, Brazil: SPE, 2015. Аrticle ID SPE-173945-MS. DOI: 10.2118/173945-MS.

Patil A., Sundar S., Delgado A., Gamboa J. CFD based evaluation of conventional electrical submersible pump for high-speed application // J. Petrol. Sci. Eng. 2019. Vol. 182. Аrticle ID 106287. DOI: 10.1016/j.petrol.2019.106287.

Ивановский Н.Ф. Исследование усилий, действующих в погружных центробежных насосах для добычи нефти: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МИНХГиГП, 1969. 22 с.

Патент № 2206076 Российская Федерация, МПК G01L 5/00(2006.01), G01L 1/22(2006.01). Устройство для определения осевых усилий на опору направляющего аппарата ступени погружного центробежного насоса: 2001132167/28: заявл. 29.11.2001: опубл. 10.06.2003 / Вольвачев Ю.Ф., Копылов В.В., Точилин И.Ю., Феофанов И. С // Yandex.ru: патенты. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2206076C1_20030610 (дата обращения: 18.11.2024).

Патент № 2466367 Российская Федерация, МПК G01L 5/00(2006.01). Устройство и способ определения осевых усилий на опору направляющего аппарата ступени погружного центробежного насоса: 2009148657/28: заявл. 29.12.2009: опубл. 10.11.2012 / Жданов М.А., Садовов Г.П., Ситников В.И., и др. // Yandex.ru: патенты. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2466367C2_20121110 (дата обращения: 18.11.2024).

Miyashiro H., Takada K. Axial hydraulic thrust caused by pump starting // J. Basic Eng. 1972. Vol. 94, No. 3. P. 629–635. DOI: 10.1115/1.3425517.

Iino T., Sato H., Miyashiro H. Hydraulic axial thrust in multistage centrifugal pumps // J. Fluids Eng. 1980. Vol. 102, No. 1. P. 64–102. DOI: 10.1115/1.3240626.

Минченко Д.А., Носков А.Б., Якимов С.Б. и др. Комплексные испытания ступеней установок электроцентробежных насосов для добычи нефти // Нефтяное хозяйство. 2021. № 11. С. 48–53. DOI: 10.24887/0028-2448-2021-11-48-53. EDN: EBKULS.

Zhu H., Zhu J., Zhou Z., et. al. Experimental study of sand erosion in multistage electrical submersible pump ESP: Performance degradation, wear and vibration // Proceedings of the International Petroleum Technology Conference. Beijing, China: SPE, 2019. Аrticle ID IPTC-19264-MS. DOI: 10.2523/IPTC-19264-MS.

Zhou L., Shi W., Li W., Agarwal R. Numerical and experimental study of axial force and hydraulic performance in a deep-well centrifugal pump with different impeller rear shroud radius // J. Fluids Eng. 2013. Vol. 135, No. 10. Article ID 104501. DOI: 10.1115/1.4024894.

Kobylinski L.S. The effect of speed variation on the operating range of submersible pumps // Proceedings of the SPE Production Operations Symposium. Oklahoma City, OK, USA: SPE, 1989. Article ID SPE-18869-MS. DOI: 10.2118/18869-MS.

Zhu H, Zhu J, Zhou Z, Rutter R, Zhang H-Q. Wear and its effect on electrical submersible pump ESP performance degradation by sandy flow: experiments and modeling. Proceedings of the Offshore Technology Conference, 6–9 May 2019, Houston, TX, USA. Houston, TX, USA: ASME; 2019. article ID OTC-29480-MS. https://doi.org/10.4043/29480-MS.

Gulich JF (ed.). Centrifugal Pumps. Berlin, New York: Springer; 2010.

Patil A, Kasprzyk M, Delgado A, Morrison G. Effect of leakage flow path wear on axial thrust in downhole electrical submersible pump unit. J. Fluids Eng. 2020; 142 (5): аrticle ID 051202. https://doi.org/10.1115/1.4045571.

Cao W, Dai X, Hu Q. Effect of impeller reflux balance holes on pressure and axial force of centrifugal pump. J. Cent. South Univ. 2015; 22: 1695−1706. https://doi.org/10.1007/s11771-015-2688-2.

Marsis E, Patil A, Baillargeon D, McManus D, Gary II S, Williams B, et al. A state-of-the-art modeling technique for thrust prediction in bottom hole electrical submersible pumps. Proceedings of the SPE Artificial Lift Conference − Latin America and Caribbean, 27–28 May 2015, Salvador, Brazil. Salvador, Brazil: SPE, 2015. article ID SPE-173945-MS. https://doi.org/10.2118/173945-MS.

Patil A, Sundar S, Delgado A, Gamboa J. CFD based evaluation of conventional electrical submersible pump for high-speed application. J. Petrol. Sci. Eng. 2019; 182: аrticle ID 106287. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2019.106287.

Ivanovskiy NF. Study of forces acting in submersible centrifugal pumps for oil production. PhD in thesis. Moscow: Moscow Institute of Petrochemical and Gas Industry named after Ivan Gubkin; 1969. (In Russian)

Volvachev JuF, Kopylov VV, Tochilin IJu, Feofanov IS. Apparatus for determining axial efforts acting upon support of guiding device of stage of submerged centrifugal pump. RU2206076 (Patent) 2003.

Zhdanov MA, Sadovov GP, Sitnikov VI, Komolov MB, Postnov VE. Apparatus and method of determining axial forces on support of guide apparatus for submerged centrifugal pump stage. RU2466367 (Patent) 2012.

Miyashiro H, Takada K. Axial hydraulic thrust caused by pump starting. J. Basic Eng. 1972; 94 (3): 629–635. https://doi.org/10.1115/1.3425517.

Iino T, Sato H, Miyashiro H. Hydraulic axial thrust in multistage centrifugal pumps. J. Fluids Eng. 1980; 102 (1): 64–102. https://doi.org/10.1115/1.3240626.

Minchenko DA, Noskov AB, Yakimov SB, Bylkov VV, Ivanovsky VN, Sabirov AA, et al. Comprehensive tests of electric submersible pump units stages for oil production. Oil Industry [Neftyanoe khozyaystvo]. 2021; (11): 48–53. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2021-11-48-53.

Zhu H, Zhu J, Zhou Z, Rutter R, Forsberg M, Gunter Sh, et al. Experimental study of sand erosion in multistage electrical submersible pump ESP: Performance degradation, wear and vibration. In: IPTC Proceedings of the International Petroleum Technology Conference, 27–29 March; Beijing, China. Beijing, China: IPTC; 2019. article ID IPTC-19264-MS. https://doi.org/10.2523/IPTC-19264-MS.

Zhou L, Shi W, Li W, Agarwal R. Numerical and experimental study of axial force and hydraulic performance in a deep-well centrifugal pump with different impeller rear shroud radius. J. Fluids Eng. 2013; 135 (10): article ID 104501. https://doi.org/10.1115/1.4024894.

Kobylinski LS. The effect of speed variation on the operating range of submersible pumps. In: SPE Proceedings of the SPE Production Operations Symposium, 12–14 March, 1989, Oklahoma City, OK, USA. Oklahoma City, OK, USA: SPE; 1989. article ID SPE-18869-MS.
Назад к журналу
NEFTEGAS.info

Внимание к деталям — от идеи
до воплощения! Только актуальная информация и свежие новости.

О нас

 

 

Контакты

108811, г. Москва, Киевское ш.,
Бизнес-парк «Румянцево», корп. Б,
подъезд 5, офис 506 Б

+7 (495) 240-54-57