Расчет эрозии ступени электроцентробежного насоса в Ansys CFX

О проекте

  • Расчет эрозии ступени электроцентробежного насоса в Ansys CFX
  • ООО «БашНИПИнефть» и Уфимский государственный нефтяной технический университет
  • Электрические машины
  • 2016 год

Расчет эрозии ступени электроцентробежного насоса в Ansys CFX

Наличие механических примесей в скважинной продукции непосредственно на работу насоса не влияет, однако деформация рабочих органов насоса твердыми частицами в процессе работы изменяет его напорно-расходные характеристики. В последнее время возрос интерес к численным методам решения задач гидрогазодинамики, что позволило моделировать процессы, протекающие в рабочих органах насосов.

ООО «БашНИПИнефть» и Уфимский государственный нефтяной технический университет обратились к специалистам компании «МЦД», для того чтобы совместно сформировать робастную модель и создать унифицированную методологию для проведения численных экспериментов при оценке влияния эрозионных процессов в ступени электроцентробежного насоса при стендовых испытаниях.

Рабочая ступень (РС) установки электроцентробежного насоса (УЭЦН), представляет собой сборочную единицу, имеющую в составе две основные детали – направляющий аппарат (НА) и центробежное рабочее колесо (РК).

Рабочая ступень ЭЦН 5–125; 1 – рабочее колесо, 2 – направляющий аппарат
Рисунок 1. Рабочая ступень ЭЦН 5–125; 1 – рабочее колесо, 2 – направляющий аппарат

Расчет параметров рабочего процесса (гидравлических потерь в проточной части, обусловленные профилем и шероховатостью стенок, потери полного напора при входе в РК и прохождении через НА, КПД лопастной системы и прочие) представляют собой многопараметрическую задачу, в решении которой выделяются ряд групп влияющих параметров – геометрия НА и РК, режим работы (граничные условия входа – выхода) и свойства рабочей среды. Наиболее перспективные методы решения подобного рода задач – методы вычислительной гидрогазодинамики (CFD). Их достоинствами являются снижение затрат на проведение численных экспериментов, а также возможность учета любых внешних воздействий без значительной модификации модели.

Для обеспечения оптимизации при моделировании реального процесса стендовых испытаний модель была принята с учетом ряда упрощений.

Моделирование рабочей среды реализовано на основании лагранж-эйлерового подхода к течению с дисперсной фазой на основе модели, обеспечивающей построение траекторий частиц дискретной фазы при мгновенном значении поля скоростей несущей среды.

Для учета турбулентности использовалась модель k-ω- модель Ментера (k-ω SST).

Моделирование течения осуществлялось в программном комплексе ANSYS CFX.

Проточная часть рабочей ступени сформирована на основе компоновки «рабочее колесо, сопряженное с направляющим аппаратом».

Результатом формирования геометрической модели проточной части стали два домена: 1 – проточная часть рабочего колеса; 2 – проточная часть направляющего аппарата.

Построение сеточной модели осуществлялось в сеточном генераторе ANSYS Meshing. Из-за сложной геометрии проточной части рабочей ступеньи была применена тетраэдральная неструктурированная сетка с призматическими слоями (Inflation).
Постановка численного эксперимента по моделированию эрозионного износа обуславливает необходимость реализации взаимодействия сплошной несущей среды (вода) и дисперсной фазы (частицы кварцевого песка) со стенками проточной части и лопаток рабочего колеса и напраляющего аппарата. Для описания подобного рода задач наиболее применимой является модель дискретной фазы (Lagrangian transport model в ANSYS CFX).

Анализ сходимости результатов численного моделирования рабочего процесса проводился исходя из правдоподобия напорно–расходной (H-Q) характеристики, полученной в результате опыта. Помимо этого, был проведен качественный анализ картины течений на номинальном и граничных режимах течения для непрерывной фазы.

Линии тока внутри ступени при подаче 125 м3/сут
Рисунок 2. Линии тока внутри ступени при подаче 125 м3/сут

Окончательной целью проводимого анализа являлось формирование картины поля скорости эрозионного процесса, характеризуемого параметром ϵ. Помимо этого, опираясь на полученные картины течения (линий тока) для несущей среды и характерные траектории для механических примесей, были определены места, подверженные наибольшему воздействию эрозионного износа. В дальнейшем это позволит оценивать скорость деградации оборудования при постоянном значении количества взвешенных частиц в рабочей среде.

Места соударения дискретных частиц со стенками проточной части
Места соударения дискретных частиц со стенками проточной части
Линии тока в направляющем аппарате
Линии тока в направляющем аппарате

Рисунок 3. Градиентное поле скорости эрозионного процесса в проточной части рабочей ступени УЭЦН 5-125

По результатам выполненной работы была разработана методика создания расчетной модели в Ansys CFX рабочего процесса ЭЦН для проведения стендовых испытаний. Модель позволяет учесть влияние механических примесей. В ходе расчетов также были определены места рабочей ступени, подверженные наибольшему воздействию эрозионного износа.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00