автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Многопараметрическая оптимизация рабочих колес центробежных насосов низкой быстроходности (ns=40:60)

•■■ о ^ Ч

¿3 * КОНЦЕРН «ГИДРОМАШ»

МОСКОВСКОЕ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАШИН НПО <ВНИИГИДРОМАШ» ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, КОНСТРУКТОРСКИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ' ИНСТИТУТ ГИДРОМАШИНОСТРОЕНИЯ ВНИИГИДРОМАШ

На правах рукописи

удк 621.671-253(043.3)

КАЦ Артур Михайлович

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ КОЛЕС ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ НИЗКОЙ БЫСТРОХОДНОСТИ

(п5=40-^60)

Специальность 05.04.13 — Гидравлические машины и гидропиевмоагрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА — 1991

Работа выполнена во Всесоюзном Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, конструкторском и технологическом институте гидромашиностроения (ВНИИГидромаш)

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Яловой Николай Степанович

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Овсянников Борис Викторович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Полюшкин Андрей Анатольевич

Ведущее предприятие - ПО "Ливгидромаш", г.Ливны, Орловской области

Защита диссертации состоится " Зо " Ш&И 199/г. в /Ь часов на заседании Специализированного ¿овета KI69.G2.0I в НПО'ВНИИГидромапРпо адресу: 129626, г.Москва, 2-ая Мытищинская ул., д.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИГидро-

маша.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направить по адресу: 129626, г.Москва, 2-ая Мытищинская ул. , д. 2. Специализированный Совет К169.02.01,

Автореферат разослан г*

Ученый секретарь Специализированного Совета,

кандидат технических наук, (^уХул^Р, \[/ к°злов

/Автор защипает

'дел 1 - Выбор критериев оптимизации многофакторного анализа: 22Меаитадионного и энергетического.

- Методику шогофакторного эксперимента, включающую разработку и испытание серии экспериментальных рабочих колес с системой геометрических параметров, описывающих их конструкцию.

- Результаты исследований экспериментальных рабочих колес, оптимальные геометрические соотношения их параметров, обеспечивающие получение экстремальных значений критериев оптимизации

в пределах выбранных ограничений при проведении эксперимента.

- Разработку блок-схемы расчета геометрических параметров рабочих колес, обеспечивающих получение высоких значений анти-кавитационных и энергетических показателей.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Задача дальнейшего улучшения показателей центробежных насосов решается путем совершенствования проектирования их рабочих органов, включающих подвод, рабочее колесо в отвод. При этом работами многих исследователей доказано, что рабочее колесо, как основной орган, характеризующий динамику центробежного насоса, во многом определяет его антикавитационные качества и оказывает влияние па экономичность насоса.

В настоящее время существует ряд расчетных методов, положенных в основу проектирования рабочих колес, которые дают хорошие результаты. Однако они не позволяют выполнить их проектирование с оптималышш соотношениями геометрических параметров.

Это возможно при проведении комплексных статистических исследований, позволяющих установить оптимальные корреляционные связи между параметрами рабочего колеса.

Установление таких связей монет быть осуществлено на основании проведения многопараметрического физического эксперимента по рабочим колесам и соответствующей обработки его результатов. Последняя включает в себя получение по результатам эксперимента адекватных математических многойакторных моделей и проведение

ло. ним поиска оптимальных соотношений параметров колес, обеспечивавших в пределах выбранных ограничений получение - экстремальных значений исследуемых целевых функций.'

Сочетание традиционно применяемых методов проектирования (например, метода, основанного на струйной теории) с оптимизационными методами позволяет создать рабочие колеса центробежных насосов с улучшенными энергетическими и антикавитационными показателями, в связи с чем данная постановка вопроса является актуальной и имеет большой научный и практический интерес.

Цель работы

Создание рабочих колес центробежных насосов низкой быстроходности с оптимальными соотношениями геометрических параметр ров, обеспечивающими высокие значения антикавитационных и энергетических показателей.

Задачи работы

Для достижения указанной цели была поставлены и решены следующие задачи:

- Выбор в безразмерном виде критериев оптимизации для многофакторного эксперимента и его анализа.

- Разработка методики многофакторного эксперимента и его проведение.

- Анализ результатов эксперимента, математическое моделирование и оптимизационный поиск соотношений геометрических и режимных параметров рабочих колес в пределах выбранных ограничений по разнородным критериям на расчетном режиме работы насоса.

- Прогнозирование значений кавитационных и энергетических показателей рабочих колес.

- Разработка рекомендаций по прогнозированию диапазона работы насоса с низкими значениями кавитационного запаса при оптимальных соотношениях параметров входа в колесо.

- Разработка методик расчета и проектирования рабочих колес центробежных насосов низкой быстроходности с оптимальными соотношениями параметров, описывающих их конструкцию.

Научная новизна

- Обоснован выбор антикавитационного и энергетического

критериев оптимизации, геометрических и кинематических параметров, характеризующих работу колеса и насоса.

- По результатам проведения многофакторного эксперимента подучены адекватные математические статистические модели, выполнен оптимизационный поиск соотношений геометрических параметров рабочего колеса, обеспечивающий экстремальность значений исследуемых критериев в пределах выбранных ограничений.

- Разработаны методики проектирования рабочих колес с оптимальными соотношениями геометрических параметров, описывающих их конструкцию.

- Разработаны рекомендации по прогнозированию диапазона эксплуатации центробежного насоса с низкими значениями кави-тационного запаса яри оптимальных соотношениях геометрических параметров входа в рабочее колесо.

Практическая ценность

Созданы рабочие колеса центробежных: насосов низкой быстроходности с оптимальными соотношениями геометрических параметров, на которые выданы положительные решения для получения авторских свидетельств.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на двух семинарах "Основы теории насосных агрегатов" в Московском авиационном институте (МАИ), на семинаре кафедры "Газодинамика компрессорных и криогенных машин" в Московском институте химического машиностроения (ЖХМ), на заседании секции лопастных насосов ЕНИИГидромаш.

Реализация работы в промышленности

Результаты работы использованы при разработке центробежного насоса ЦН-180/110, изготовленного в ПО "Ливгидромаш", прошедшего приемочные испытания и рекомендованного в производство.

Публикации

По материалам диссертации опубликованы две статьи, подучены одно авторское свидетельство и два положительных решения на выдачу авторских свидетельств.

Структура и объем работы

Диссертационная работа включает введение, четыре главы,

заключений (/98 стр., в том числе 58 рис., /3 табл.), список используемой литературы (69 наименований), приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано, что традиционные методы исследований и расчетов геометрии проточной части насосов, и в тон числе, рабочих колес, не позволяют подучить их оптимальные'геометрические соотношения, обеспечивающие, в пределах выбранных ограничений, экстремальные значения характеристик насосов.

В связи с этим показана актуальность решения задачи по исследованию и разработке методик расчета оптимальных соотношений геометрических параметров рабочего колеса, как основного рабочего органа центробежного насоса, определяющего его динамику.

В работе показано, что решение данной задачи наиболее рационально при использовании метода многофакторного анализа. Сочетание традиционного метода расчета, основанного на струйной теории, с методом расчета оптимальных геометрических соотношений обеспечивает получение высоких значений антикавитационных и энергетических показателей центробежных насосов.

В первой главе проведен анализ литературных источников по методам проектирования геометрии рабочих колес. Из существующих методов наибольшее распространение для колес насосов низкой быстроходности получил метод, основанный на струйной теории. Это обусловлено, прежде всего, простотой расчета и профилирования при наличии, однако, эмпирических коэффициентов или зависимостей, полученных на основании проведения большого объема экспериментальных работ иди обработки статистических данных, накопленных при эксплуатации насосов.

В диссертации показано, что рекомендуемые в литературе эмпирические коэффициенты (или зависимости) для выбора геометрических параметров или их конкретные оптимальные значения не всегда совладают между собой и получены, как правило, на основании обработки опытных данных с использованием однофакторного эксперимента. Последний предусматривает исследование влияния каждого из изучаемых параметров на характеристики объекта при поддержании постоянных значений всех других параметров. Такой 4

путь не позволяет выполнить поиск оптимальных соотношений параметров и сопряжен с очень большим объемом и стоимостью экспериментальных работ.

Оптимальные решения по указанным соотношениям получаются при использовании метода шогофакторного анализа, успешное применение которого во многом заключается в правильном выборе критериев оптимизации и параметров (независимых переменных), их физическом обосновании нри включении в математическую модель. В качестве исходных данных для такого анализа служат результаты многофакторного эксперимента, когда от опыта к опыту варьируются все рассматриваемые параметры.

Проведенные таким образом исследования позволяют установить объективные оптимальные соотношения параметров изучаемого объекта с последующим его расчетом по разработанной инженерной методике.

Кроме того, метод многофакторного анализа позволяет существенно сократить объемы экспериментальных работ и сроки достижения желаемого результата, что, очевидно, дает большой экономический эффект при создании новых насосов.

В главе изложены основные положения и математические выкладки по'методам моделирования и оптимизационного поиска при исследовании насосов.

В главе 2 приведено описание методики проектирования серии экспериментальных рабочих колес с обоснованием выбора диапазонов варьирования геометрических параметров, описывающих их конструкцию; изложены методики проведения кавитационных, энергетических и балансовых испытаний экспериментального насоса и первичной обработки их результатов; приведено описание экспериментальной установки и средств измерений.

Показано, что для получения достоверных данных по оптимальным соотношениям параметров колес в пределах их применяемости в насосостроении при проведении многофакторного эксперимента интервалы варьирования переменных параметров (как для меридиональных сечений, за исключением наружного диаметра ЗЗа = 0,5 м и ширины на выходе 62 = 0,015 м, так и для лопастных решеток) назначаются более широко, чем в практике. Так, например, коэффициент входа в рабочее колесо Ко = 3,0т6,9,угол лопасти

колеса на выходе = 15° 40°, отношение диаметра втулки

к диаметру входа з колесо /Uy = Dj-0,8 и т.п.

Однако при этом для всех экспериментальных колес сохранялись постоянные значения толщины лопасти на входе = = 0,005 м н выходе <Уг = 0,008 м. Еще одним ограничением при проведении эксперимента было положение периферийной точки пересечения входной кромки с покрывным диском, которая находилась на дуге диска и не выходила во всасывающую горловину.

На рис. I приведены меридиональные сечения экспериментальных рабочих колес.

Конструктивно экспериментальные колеса были выполнены с передним и задним уплотнительными поясками под щелевые уплотнения и с разгрузочными отверстиями в ведущем диске для уравновешивания осевых сил. Кроме того, они были выполнены составными: лопасти крепились к'дискам на винтах. Это обеспечило точность воспроизведения при изготовлении заложенных в процессе проектирования геометрических параметров, а также чистоту межлопастных каналов.

Экспериментальные рабочие колеса допытывались при их установке в два варианта спиральных отвода, при этом на расчетном режиме значения коэффициентов быстроходностей покрыли исследуемый диапазон ns = 40 * 60. Испытания колес в двух отводах не сказались на результатах исследований и оптимизации ввиду того, что рассматриваемый в работе антикавитационный критерий зависит от условий входа в рабочее колесо и для насосов низкой быстроходности не зависит от геометрии выхода из колеса. Другой критерий, определяющий гидравлические потери в рабочем колесе, зависит, в основном, от геометрии межлопастных каналов и характера течения жидкости в них.

. В главе 3 изложены результаты математического моделирования и оптимизационного поиска по антикавитационному критерию на основании результатов многофакторного эксперимента.

. Из теоретического рассмотрения условия наличия кавитации на входной кроше лопасти рабочего колеса была получена функциональная зависимость максимальной относительной скорости в наиболее опасной в навигационном отношении точке лопасти от геометрических и режимных параметров рабочего колеса:

»I [дф), ¿6», г, 5,,ш; й*,^^- £

где Д (п) - диаметр точки пересечения входной кромки лопасти с покрывным диском (периферийная точка); диаметр втулки колеса; Н. ~ число лопастей колеса; - толщина лопасти на входе; ДнУгол лопасти в периферийной точке;

Ш - угловая скорость вращения колеса; - подача

колеса; ЩтЬ), меридиональная и окружная составляющие

скорости соответственно в периферийной точке; ^ - коэффициент, зависящий от формы входной части лопасти.

Эта зависимость была использована для выбора функции отклика и независимых переменных при математическом моделировании. В качестве первой был выбран кавитационный запас на номинальном режиме в безразмерном виде, как показатель, наиболее полно характеризующий антикавитационные качества насоса. В качестве независимых переменных рассматривались безразмерные комбинации параметров из функциональной зависимости (I).

11а основании проведенных: регрессионного и дисперсионного анализов была найдена математическая многофакторная статистическая модель, адекватно описывающая набор матрицы независимых переменных и вектора-столбца экспериментальных значений отклика:

и ДНн *019532 + Ш519'Ка*0/9тфг2,7П'%(пГ

(2)

■0,1070 'Ко~ О,04757 ■ с1 у

и

где иг■1>03(пТ коэффициент подачи по входу в колесо,

рассчитанный через приведенный диаметр входа в колесо в периферийной точке ])с »

п. - __- -расходный параметр входа в рабочее

7< п)

колесо, характеризувдий отношение утла потока к углу лопасти в периферийной точке;

г' ~я" р —' к0Э$ФН1У1ент стеснения потока лопастями

на входе в рабочее колесо, подсчитанный в периферийной точке входной кромки лопасти;

Ко'З

Do

dJT - коэффициент входа потока в рабочее ко-

'ЗШ

лесо, рассчитанный через подачу насоса; Т dêm

а -

"- втулочное отношение рабочего колеса.

Модель (2) включает в себя значимые по критерию Фишера коэффициенты прц независимых переменных и характеризуется значениями множественного коэффициента корреляции МКК=0,872 и средней погрешности, равной ¿ = 5,11$.

IIa основании проведенного оптимизационного поиска были найдены оптимальные соотношения входидах в модель параметров в зависимости от базового Ко.

Дальнейшие расчеты по модели значений откликов позволили получить зависимость оптимального критерия СдЬ JH от параметров lío и Е (рис. 2), которая справедлива при соблюдении оптимальными соотношений других параметров входа в колесо -угла лопасти и угла атаки в периферийной точке в функции от Ко.

JaArofMffc/m р/тияягммогг? л#паяфш

ûm незя^иеимш лщремемних

З.в з,5 ù.a if.5 Sff S.S о,О Rue. г

целью проверки достоверности и универсальности этой зависимости, также пригодности для прогнозирования кавитацисшных качеств на-

9

coca были собраны и обработаны статистические данные по результатам испытаний насосов исследуемого диапазона быстроходностей с высокими антикавитационными показателями типов 1Д, HIÍKB.QVD и других. Как показал анализ, для диаметров входа в колесо D(s0,075 м прогнозируемые расчетные значения кавитационного запаса насоса меньше подученного по результатам испытаний, и эта относительная величина «10*12$,

Кроме того, в данной главе диссертации выполнен анализ полученных при проведении эксперимента зависимостей Д Ь г { (Q)t заключающийся в логарифмировании функции и выявлении точек излома и диапазона работы насоса между этими точками, характеризующегося меньшими значениями кавитационного запаса и малым его изменением от подачи насоса в сравнении с областями, расположенными левее т.1 и правее т.2 (рис. 3). По данным Шенка ввделение изломных точек при логарифмировании экспериментальных зависимостей может говорить об изменении физических процессов при переходе через них.

fáSiimtuft/M#ar хаоггх/гтамс/пила ,{j¿hCp i/acoccr

-DÍV

-¡M

г/9п ¿92 Рис.3

365

Koftpcoti'3

¿J MI

Увеличение А/^левее т.1 может быть объяснено воздействием на основной поток протекания кольцевого вращающегося вихря,возникающего на долевых подачах, который способствует увеличению меридиональной и относительной составляющих скорости, уменьшению угла атаки, а значит, и повышению значений кавитационного запаса.

Изменение градиента функции в точке 2 связано с перестройкой потока при обтекании входной кромки лопасти, вызванной переходом от положительных к отрицательным значениям углов атаки.

В работе решена задача прогнозирования граничных точек I и

2 при оптимальной геометрии входа в рабочее колесо на стадии-проектирования насоса в виде зависимости коэффициентов подачи в указанных точках от параметров входа в колесо Ко, 2 , Н . На рис. 4, в качестве примера, показана такая графическая зависимость при d = 0,4.

О 0.5 /.5 & зе

Рис. V

В главе 3 приводятся, кроме того, получецные на основании математического моделирования зависимости для прогнозирования и обеспечения минимальных значений коэффициента кавитации * =

{■ (Ко, £ , с£ ), а также принципиальная блок-схема расчета кави-тационных критериев насоса.

В главе 4 анализируются результаты балансовых испытаний экспериментального насоса при установке в него поочередно семи экспериментальных рабочих колес. Испытания позволили выделить все составляющие потерь в- насосе, определить значения теоретического напора Нт экспериментальных колес, а также гидравлические потери в них.

При рассмотрении дисковых потерь, составляющих в насосах низкой быстроходности значительную долю в общем балансе потерь, как показал предшествующий опыт, следует учитывать закрутку потока на выходе из колеса, а также насосное действие его дисков. Учет протечек жидкости через пазухи показал при определенных условиях, имевших место при проведении эксперимента, их несуще-

11

ственное влияние на значения дисковых потерь при протекании жидкости от периферии к центру, что не противоречит результатам некоторых выполненных исследований.

По найденным значениям мощности дискового трения были вычислены значения коэффициентов дискового трения Су.Т. для испы-та1шых экспериментальных колес. 11а основании проведенного регрессионного и дисперсионного анализов была получена зависимость для прогнозирования Сф.Т. на стадии проектирования центробежного насоса:

Ср. + 0,059^-0^9-^

Цг- окружная скорость на выходе из колеса.

Эта зависимость, применительно к насосам = 40ь60,является уточнением известной формулы (С^.г. = о.озэ/СлГ ), полученной при вращении диска с гладкими поверхностями в корпусе с гладкими внутренними стенками и значениях Ие > 10® (что имело место и при проведении эксперимента). Формула (3), в отличии от известной, учитывает значимое влияние на коэффициент дискового трения закрутки жидкости на выходе из колеса через параметр Нт/Ца - коэффициент теоретического напора.-Влияние других параметров на Су,т. по условиям проведения эксперимента оказалось незначимым.

Определение объемного коэффициента полезного действия производилось на основания непосредственного замера утечек через щелевые уплотнения. Гидравлические потери в насосе определялись расчетным путем на основании полученных значений полного, дискового и объемного КПД.

По результатам замера статического давления в выходном сечении рабочего колеса и расчета скоростной энергии потока в этом сечении определялся напор колеса и его гидравлический КПД как отношение напора колеса к теоретическому напору на разных режимах работы насоса.

Найденные максимальные значения КПД экспериментальных колес послужили исходными данными в качестве откликов для математического моделирования. При этом полученная модель содержала все значимые коэффициенты при независимых переменных и характеризовалась высокой степенью адекватности: 12

ma*

1г.кШ-о,

«та»

где Lr.n. - максимальное, по режиму работы колеса, значение его гидравлического КПД;

- критерий Россби, определенны!! по гидравличес-

кому диаметру межлопастного канала на выходе из рабочего колеса

t 'Ь

= £ 11 относительно:а скорости в нем ;

между лопастями по наружному диаметру колеса; УЛП ■ Л v

Кп, z - коэффициент подачи по выходу из колеса,

UJ •

шаг

№ OJ • Х)г*

ь-ё

Win _ расходный параметр выхода из рабочего колеса,

Ufiafist

Vim ~ меридиональная составляющая скорости на выходе из колеса; UjRcp ~ относительная кривизна лопасти колеса, причем

/L - длина лопасти, Rep- средний радиус кривизны лопасти, определенный для 2/3 ее длины, отсчитанной от наружного диаметра рабочего колеса.

Результат оптимизационного поиска по полученной математической модели (4) в виде зависимости отклика от базового параметра Ко, при соблюдении оптимальным] соотношений параметров, входящих в модель, приведен на рис. 5.

ЗаЬсиыасгги нага/мяльного ес/фа&г/'/есл'аго * ИПВ кожеса дг ейг коэффициента Sxofa Ed парезуитатан оптимизационного поиска

09?.

з.о з.з i/,j j,a s.s . s-p

• —экспериментальные налеа/

Рис. 5

Согласно экспериментальным данным А.И.Тимшина на всех режимах работы колеса у тыльной стороны лопасти имеется зона отрыва, причем с уменьшением коэффициента подачи площадь, занимаемая зоной отрыва, увеличивается. Активная часть потока прижимается к рабочей стороне лопасти, здесь поток имеет максимальные угли наклона и величины относительных и меридиональных составляющих скорости. Внутри канала в направлении к тыльной стороне лопасти эти величины уменьшаются, достигая отрицательных значений. Интенсивность пульсаций скорости и давления за рабочим . колесом тем меньше, чем меньше размер зоны, занимаемой отрывным течением. Степень заполнения выходного сечения колеса активным потоком может характеризоваться параметром 32 = -^- » где £ -зона активного штока, выраженная в единицах длинй по шагу. Из рассмотренной схемы течения жидкости на выходе из колеса аналитическим путем.была получена формула для расчета коэффициента заполнения колеса на выходе 3£ » которая была использована в данной работе для расчета этого параметра применительно к экспериментальным колесам в зависимости, от режима их работы по результатам балансовых испытаний.

Как показал предварительный анализ, существенное влияние

на д£ оказывает параметр рабочего колеса. характериауюший диф-

фузорность его межлопастных каналов £, --Уг. "У— , где (•£ ,

У <ЛГ Ск

г/ - площади выхода и входа в межлопастной канал соответственно, Ск - длина канала. В диссертации решена задача максимизации коэффициента заполнения колеса на выходе на режиме, соответству-

гто.к

Гк , при оптимальных соотношениях кинематических и геометрических параметров колеса, найденных с целью получения максимальных значений критерия 1г.к. • •с<ля этого определены оптимальные соотношения параметра . При Ко»4,3*5,0, соответствующему максимальным значениям Ъ^.Т » оптимальные значения эквивалентной) угла раскрытия диффузора межлопастного канала Вэ*2олсЦ аО.

В данной главе приведена принципиальная блок-схема расчета оптимальных параметров рабочего колеса по критерию его гидравлического КПД. .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I. На основании теоретического анализа и экспериментальных 14

данных, а тайке анализа критериальных уравнений подобия выбраны антикавитационный (кавитадионный запас) и энергетический (гидравлический КПД) критерии рабочего колеса и его геометрические и кинематические параметры, представленные в безразмерном виде для распространения методических основ работы на другие типы центробежных насосов в рамках исследуемого диапазона быстроходностей.

2. Получены математические многофакторные модели в виде уравнений регрессии, адекватно описывающие,в пределах выбранных ограничений,связь исследуемых критериев с наборами геометрических и кинематических параметров рабочего колеса, определяющих его конструкцию.

3. По математическим моделям выполнен оптимизационный поиск соотношений параметров рабочего колеса, которые, в пределах выбранных ограничений, обеспечивают получение экстремальных значений целевых функций.

Полученные результаты представлены в виде зависимостей параметров рабочего колеса от базового параметра - коэффициента входа в колесо Ко. Сравнение результатов исследований по анти-кавитационному критерию со статистическими экспериментальными данными по центробежным насосам быстроходности = 40*60 с высокими антикавитационными характеристиками показало, что выполнение оптимального входа в рабочее колесо обеспечивает получение меньших значений навигационного запаса на 1й+Т2%.

4. Решена задача прогнозирования, при оптимальных соотношениях параметров входа в колесо, коэффициентов подачи Кт в точке I и в точке 2, разделяющих среднюю область с меньшими значениями кавитационного запаса от крайних с более высокими его-значениями, в зависимости от Ко, числа лопастей 2 и втулочного отношения 3. .

5. Показано, что установка в спиральный отвод экспериментального центробежного насоса рабочего колеса с оптимальными соотноше-

• ниями геометрических параметров при Ко = 4,4 позволяет получить в расчетной точке при = 45 КПД насоса, равное 70%. Дальнейшее повышение последнего возможно путем оптимизации геометрии спирального отвода.

6. Разработаны методики расчета и выбора оптимальных соотношений геометрических параметров рабочего колеса на стадии проектирования центробежного насоса, позволяющие получить повышенные

15

значения его антикавитационных и энергетических показателей.

7. Достоверность исследований и надежность методик расчета и проектирования рабочих колес подтверждены при создании центробежного насоса ЦЦ-180/iIG, обеспечившего высокие анти-кавитационные и энергетические показатели и рекомендованного в серийное производство.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ацуфриенко О.С., Кац А.М. Расчет характеристик рабочих колес центробежных насосов //Химическое и нефтяное машиностроение. - 1990. - tö 4. - с. 4-5.

2. Яловой Н.С., Львов A.A., Кац A.M. Оптимизация условий эксплуатации конденсатных насосов //Известия высших учебных заведений. Энергетика. - 1986, - J6 6. - с. П2-П5.

3. A.c. tö I0876S2 (СССР). Экспериментальный центробежный насос. Авторы изобретения: Кац. A.U,, Файнберг Л.И., Хлопенков П.Р., Яловой И.О. - Заявл. 24.12.82 fö 3525821/25-06 - 'Опубл. в Б.И. 1984. Ji 15.

4. Положительное решение по заявке й 4728330/29 "Рабочее колесо центробежного насоса". Авторы Кац A.M., Яловой И.О., Соколов Р.Н., Хрусталев А.Я. - Заявл. 23.06.89.

5. Положительное решение по заявке № 4728468/29 "Рабочее колесо центробежного насоса". Авторы: Кац A.M., Яловой Н.С., Соколов Р.Н., Хрусталев А.Я. - Заявл. 23.06.89,

Подписано в печать 23.04.91 г. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Зак. № 226. Изд. № 9200/58. Формат 60Х 90 1/,6.

ПМБ ЦИНТИхимнефтемаша

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КРИТЕРИЕВ ПОДОБИЯ И МЕТОДА

ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

1.1. Методы проектирования рабочих колёс (обзор литературных источников)

1.2. Методы математического моделирования и оптимизации при исследовании центробежных насосов

1.3. Выбор критериев подобия при исследованиях по кавитации и по гидравлическим потерям в рабочих колесах

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕРИИ ЗКСПШШЭДЩЙЫХ

РАБОЧИХ КОЛЕС. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Экспериментальные рабочие колеса

2.2. Экспериментальная установка и измерительные приборы

2.3. Методика проведения энергетических испытаний и первичная обработка их результатов. Оценка погрешностей эксперимента

2.4. Методика проведения балансовых испытаний

2.5. Методика проведения кавитационных испытаний и первичная обработка их результатов

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИОННЫЙ ПОИСК ПО КАВИТАЦИОННОМУ КРИТЕРИЮ.

3.1. Теоретическое исследование влияния параметров рабочего колеса на кавитационный критерий насоса .«.••.•.•*.,.,.,

3.2. Выбор параметров и отклика моделей. Получение математических моделей

3.3. Имитационное исследование модели k 3.4. Оптимизационный поиск параметров модели и ее отклика для номинального режима работы насоса

3.5.Прогнозирование области эксплуатации центробежного насоса по кавитационноэду критерию .••.•

3.6. Определение минимальных значений коэффициента профильного разрежения лопасти рабочего колеса

3.7. Прогнозирование изменения кавитационных критериев насоса

3.8. Принципиальная блок-схема расчета кавитационного запаса насоса на основании проведенных исследований.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИ-ЩОННЫЙ ПОИСК ПО ШЕРГЕТИЧЕСКОМУ КРИТЕРИЮ РАБОЧЕГО КОЛЕСА (ПО ПОТЕРЯМ)

4.1. Результаты балансовых испытаний экспериментального насоса

4.2. Выбор независимых переменных и отклика при анализе гидравлических потерь в рабочих колесах. Получение математической модели и оптимизационный поиск по энергетическому критерию

4.3. Математическое моделирование и оптимизационный поиск по коэффициенту заполнения потоком рабочего колеса на выходе

4.4. Принципиальная блок-схема расчета параметр ров рабочего колеса на основании проведенных исследований

4.5. Испытания центробежного насоса с оптимальным рабочим, колесом, при Kq .= 4,4.

Актуальность работы.

Задача дальнейшего улучшения параметров центробежных насосов решается путем совершенствования проектирования их рабочих органов, включающих подвод, рабочее колесо и отвод. При этом работами многих исследователей доказано, что рабочее колесо, как основной орган, характеризующий динамику центробежного насоса, во многом определяет его антикавитационные качества и оказывает влияние на экономичность насоса.

В настоящее время существует ряд расчетных методов, положенных в основу проектирования рабочих колес, которые дают хорошие результаты. Однако они не позволяют выполнить их проектирование с оптимальными соотношениями геометрических параметров.

Это возможно при проведении комплексных статистических исследований, позволяющих установить оптимальные корреляционные связи между параметрами рабочего колеса, описывающими его конструкцию. Установление таких связей может быть осуществлено на основании проведения многопараметрического физического эксперимента по рабочим колесам и соответствующей обработки его результатов. Последняя включает в себя получение по результатам эксперимента адекватных математических многофакторных моделей и проведение по ним поиска оптимальных соотношений параметров колес, обеспечивающих в пределах выбранных ограничений получение экстремальных значений исследуемых целевых функций.

Сочетание традиционно применяемых методов проектирования (например, метода, основанного на струйной теории) с оптимизационными методами позволяет создать рабочие колеса центробежных насосов с улучшенными энергетическими и антнкавитационными показателями, в связи с чем данная постановка вопроса является актуальной и имеет большой научный и практический интерес.

Цель работы.

Создание рабочих колес центробежных насосов низкой быстроходности с оптимальными соотношениями геометрических параметров, обеспечивающим высокие значения антикавитационных и энергетических показателей*

Задачи работы»

Для достижения указанной цеди были поставлены и решены следующие задачи:

- Выбор в безразмерном виде критериев оптимизации для многофакторного эксперимента и его анализа,

- Разработка методики многофакторного эксперимента и его проведение,

- Анализ результатов эксперимента, математическое модели*» рование и оптимизационный поиск соотношений геометрических и режимных параметров рабочих колес в пределах выбранных ограни** чений по разнородным критериям на расчетном режиме работы насоса,

- Прогнозирование значений кавитационных и энергетических показателей рабочих колес,

- Разработка рекомендаций по прогнозированию диапазона работы насоса с низкими значениями кавитационного запаса при оптимальных соотношениях параметров входа в колесо,

- Разработка методик расчета и проектирования рабочих колес центробежных насосов низкой быстроходности с оптимальными соотношениями параметров, описывающих их конструкцию.

Научная новизна, Обоснован выбор антикавитационного и энергетического критериев, характеризующих работу колес&и насоса,

- По результатам проведения многофакторного эксперимента получены адекватные математические статистические модели, выполнен оптимизационный поиск соотношений геометрических параметров рабочего колеса, обеспечивающий экстремальность значений исследуемых критериев в пределах выбранных ограничений,

- Разработаны методики проектирования рабочих колес с оптимальными соотношениями геометрических параметров, описывающих их конструкцию,

- Разработаны рекомендации по прогнозированию диапазона эксплуатации центробежного насоса с низкими значениями кавита-ционного запаса при оптимальных соотношениях геометрических параметров входа в рабочее колесо.

Практическая ценность.

Созданы рабочие колеса центробежных насосов низкой быстроходности с оптимальными соотношениями геометрических параметров, на которые выданы положительные решения для получения авторских свидетельств.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на двух семинарах "Основы теории насосных агрегатов" в Московском авиационном институте (МАИ), на семинаре кафедры "Газодинамика компрессорных ж криогенных машин" в Московском институте химического машиностроения (МИШ), на заседании секции лопастных насосов ВШИГидромаш.

Реализация работы в промышленности.

Результаты работы использованы при разработке центробежного насоса ВД-180/П0, изготовленного в ПО "Ливгидромаш", прошедшего приемочные испытания и рекомендованного в производство

Публикации.

По материалам диссертаций опубликованы две. статьи, получе нн одно авторское свидетельство и два положительных решения на выдачу авторских свидетельств»

Структура и объем работы

Диссертационная работа включает введение, четыре главы, заключение (198 стр., в том числе 58 рис», 13 табл.), спи-» сок использованной литературы ( 69 наименований), приложение»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании теоретического анализа и экспериментальных данных, а также анализа критериальных уравнений подобия выбраны антикавитационный (кавитационный запас) и энергетический (гидравлический КПД рабочего колеса) критерии рабочего колеса и его геометрические и кинематические параметры, представленные в безразмерном виде для распространения методических основ работы на другие типы центробежных насосов в рамках исследуемого диапазона быстроходностей.

2. Получены математические многофакторные модем (уравнения регрессии), адекватно описывающие, в пределах выбранных ограничений, связь исследуемых критериев с наборами геометрических и кинематических параметров рабочего колеса, определяющих его конструкцию.

3. По математическим моделям выполнен оптимизационный поиск соотношений параметров рабочего колеса, которые, в пределах выбранных ограничений, обеспечивают получение экстремальных значений целевых функций.

Полученные результаты представлены в виде зависимостей параметров рабочего колеса от базового параметра - коэффициента входа в колесо Ко. Сравнение результатов исследований по анти-кавитационному критерию со статистическими экспериментальными данными по центробежным насосам быстроходности fig = 40 * 60 с высокими антикавитационными характеристиками показало, что выполнение оптимального входа в рабочее колесо обеспечивает получение меньших значений кавитационного запаса на 10-12$.

4. Решена задача прогнозирования, при оптимальных соотношениях параметров входа в колесо, коэффициентов подачи КфУ в точке I и /Озг в точке 2, разделяющих среднюю область с меньшими значениями кавитационного запаса от крайних с более высокими его значениями, в зависимости от Ко, числа лопастей Ъ. и втулочного отношения cL .

5. Показано, что установка в спиральный отвод экспериментального центробежного насоса рабочего колеса с оптимальными соотношениями геометрических параметров при Ко = 4,4 позволяет получить в расчетной точке при tig = 45 КПД насоса, равное 70$. Дальнейшее повышение последнего возможно путем оптимизации геометрии спирального отвода,

6. Разработаны методики расчета и выбора оптимальных соотношений геометрических параметров рабочего колеса на стадии проектирования центробежного насоса, позволяющие получить повышенные значения его антикавитационных и энергетических показателей.

7. Достоверность исследований и надежность методик расчета и проектирования рабочих колес подтверждены при создании центробежного насоса ЦН-180/110, обеспечившего высокие антика-витационные и энергетические показатели и рекомендованного в серийное производство.

1. Айзенштейн М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. - М.: Гостоптехиздат, 1957. - 363 с.

2. Алексапольский Д.Я., Малюшенко В.В., Рже баев а Н.К. Определение мощности дискового трения в центробежных насосах с учетом радиального расходного течения и закрутки потока //Гидравлические машины. Харьков, 1977. - Выпуск II. -с, 80-85.

3. Ануфриенко О.С., Кац A.M. Расчет характеристик рабочких колес центробежных насосов //Химическое и нефтяное машиностроение. 1990. - I 4. - с. 4-5.

4. А.с. № 1087692 /СССР/. Экспериментальный центробежный насос. /A.M.Кац, Л.И.Файнберг, П.Р.Хлопенков, Н.С.Яловой. Заявл. 24.12.82 1 3525821/25-06. - Опубл. в Ей № 15, 1984.

5. Байбиков А.С. К расчету потерь на дисковое трение в турбо-машинах //Известия высших учебных заведений. Энергетика. -1971. Jfe I. - с. II5-II9.

6. Васильцов Э.А., Невелич В.В. Герметические электронасосы. Л.: Машиностроение, 1968. - 260 с.

7. Вейснер. Обзор методов учета конечного числа лопастей в рабочих колесах центробежных насосов //Энергетические машины и установки. Труды американского общества инженеров-меха-ников, 1967. В 4. - с. 123-138.

8. Викторов Г.В. Гидродинамическая теория решеток. М.: Высшая школа, 1969. - 368 с.

9. Высокооборотные лопаточные насосы /Под ред. Б.В.Овсянникова и В.Ф.Чебаевского. М.: Машиностроение, 1975. - 336 с.

10. Галёркин 10,Б, Визуализация характерных зон течения в элементах проточной части центробежных компрессоров с помощью напыления мелкодисперсионного твердого красителя //Энергомашиностроение, 1980. - I 5, - с, 2-4,

11. Головин В,А, Исследование ступеней центробежных секционных насосов низкой быстроходности ( tiff- 40) с целью повышения экономичности и уточнения методик их расчета: Автореф. дисс на соиск. учен, степ, канд.техн, наук, Суш, 1972, 16 с

12. Гришин В,К. Статистические методы анализа и планирования экспериментов, М.: изд-во МГУ, 1975, - 128 с.

13. Еремина А.С. Исследование и разработка центробежных насосов со стабильными характеристиками //Отчет ВНИИгидромаш НС--1475, » М,, 1980, « 107 с.

14. Животовский JI.C., Смойловская Л,А. Техническая механик гидросмесей и грунтовые насосы, М,: Машиностроение, 1986,223 с,

15. Ковалев И,А. Исследование путей повышения экономичности ступени центробежного насоса низкой удельной быстроходности (,fljy= 40): Автореф. дисс. на соиск. учен, степ, канд.техн. наук. Харьков, 1970. - 21 с.

16. Косторной С.Д, Исследование рабочего процесса радиально-осевой гидротурбины, спроектированной в вихревом потоке: Автореф, дисс. на соиск, учен. степ. канд. техн. наук, -Харьков, 1968, 19 с.

17. Лившиц СЛ. Аэродинамика центробежных компрессорных машин.- М.: Машиностроение, 1966, 340 с.

18. Малюшенко В.В., Бирюков А.Й., Головин В.А. О влиянии лопасти рабочего колеса на характеристики ступени центробежного насоса с низким коэффициентом быстроходности //Известия высших учебных заведений. Энергетика. «? 1970, № 12.с, 82—88.

19. Малюшенко В.В., Головин В,А. О балансе энергии промежуточной ступени центробежного насоса низкой быстроходности //Энергомашиностроение. 1974, - J 10, «с. 19-22.

20. Малюшенко В.В., Головин В.А, 0 дисковых потерях в ступени центробежного насоса низкой быстроходности //Известия высших учебных заведений. Энергетика. 1974, т 3. - с. II5-I22.

21. Машин А.Н, Влияние спирального отвода на оптимальный режим центробежного насоса: Автореф. дисс. на соиск, учен, степ» канд. техн. наук. Москва, 1953. - 15 с.

22. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1977, 288с.

23. Наумов В.В. Исследование рабочих органов малорасходных насосов низкой быстроходности: Дисс. . канд.техн.наук. -Москва, 1981» 215 с.

24. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. Издание третье, пе-рераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. « 376 с.

25. Пекин В.Ф. Расчет рабочих лопаток насосов центробежного типа методом интегральных уравнений //Отчет ЛИИ. Ленинград, 1937. 70 с.

26. Полоцкий Н.Д., Богницкая Ф.А., Агулышк P.M. Расчет отводящих устройств центробежных насосов /Под ред. Руднева С.С.- М.: 1ЩТИШНШТЙШ, 1967. 47 с.

27. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов*- М»: Машгиз, I960. 683 с.

28. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины.- М.-Л.: Машиностроение , 1969. 335 с.

29. Руднев С«С. Баланс энергии в центробежном насосе //Химическое машиностроение. 1938* - $ 3. - с# 17-26.

30. Руднев С.С. Теоретическое определение параметров, характеризующих работу колес центробежного типа, и анализ экспериментальных характеристик центробежных насосов //Отчет

31. ВИГМ НС-753. М», I960. - 80 с.

32. Руднев С.С., Матвеев М.В. Методическое пособие по курсовому проектированию лопастных насосов. « М.: МВТУ им» Н.Э. Баумана, 1971. 42 с,

33. Руднев С.С., Мелащенко В.И. Обратные течения на входе в рабочее колесо и их влияние на форму напорной характеристики центробежных секционных насосов.//Труды ВНИИгидро-маша. 1968. « Выпуск 37. - с. 167-183.

34. Селезнев К.П., Нодобуев Ю.С., Анисимов С .А. Теория и расчет турбокомпрессоров* Л»: Машиностроение, 1968. - 406 с*

35. Селезнев КЛ», Шкарбуль С.Н. Исследование влияния формы профиля лопатки на структуру потока и эффективность рабочего колеса центробежного компрессора. Труды ЛЕЖ. -1963. - J6 228. - с. 55-62.

36. Селезнев К.П,, Шкарбуль С.Н. Некоторые критерии, определяющие течение в элементах проточной части турбомашин //Шерго-машиностроение. 1972. - № 9.-е. 19-22.

37. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. М.: Машгиз, I960. - 462 с.

38. Суханов Д.Я. Американские центробежные насосы и метод их расчета, М.-Л.: ГОНТИ, 1938. - 72 с.

39. Тимшин А.й. Структура потока на выходе из колеса и ее влияние на характеристики центробежного колеса: Дисе, . канд. техн. наук, Сумы, 1971. - 235 с.

40. Ханин Н.С., Шерстюк А.Н., Зайченко Е,Н., Динеев Ю.Н. Наддув и нагнетатели автомобильных двигателей. М#; Машиностроение, 1965. - 218 с,

41. Хишельблау Д. Анализ процессов статистическими методами.- М.: Мир, 1973, 957 с.

42. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. 532 с,

43. Шемель В.Б. Исследование срывных кавитационных режимов центробежных насосов //Труды ВИГМ /Расчеты и исследования насосов, 1958. - вып., ХХП, - с, 13-29.

44. Шемель В.Б. Оптимальные параметры, определяющие кавитацион-ные качества центробежных насосов //Труды ВИГМ/ Расчеты и исследования насосов. 1958. - вып. ХШ. - с, 30-48.

45. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М,: Мир, 1972,- 381 с.

46. Шкарбуль С.Н. Исследование структуры потока и возникновение потерь в рабочем колесе центробежного компрессора. Научно-технический информ, бюллетень ЛШ. - I96I. - № 5* - с.48-55,

47. Шкарбуль С.Н. Расчет пространственного пограничного слоя во вращающихся каналах центробежных колес //Энергомашиностроение. 1973, - $ I, - с. 14-18.

48. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры, М,: Машгиз, 1959. - 679 с,

49. Этинберг И.Э., Раухман Б.С. Гидродинамика гидравлических турбин, Л.: Машиностроение, 1978. - 280 с,

50. Яловой Н.С. Влияние условий входа в колесо на напорную характеристику ступени конденсатного насоса //Энергомашиностроение, 1976. -Л 10. - с. 18-20.

51. Яловой Н.С. Выбор оптимальных геометрических параметров подводов линейных и малощумных насосов. Отчет ВНИИгидро-маша - НС 1407. - М., 1978, - 298 с.

52. Яловой Н.С, Оптимизация конструкций и показателей качества машин. М,: Издательство стандартов, 1988. - 288 с,

53. Яловой Н.С,, Ксендзовский П.Д., Дитвак А.И. Оптимизация форш элементов гидромашин по данным гидродинамического эксперимента //Труды ВНИИгидромаша/ 1980. - с. IQI-III,

54. Яловой Н.С., Дитвак А.И., Генкин М.Д. Выбор ограничений при решении задач оптимального проектирования элементов машин //Гидроупругие колебания в машинах. М.: Наука, 1982. - с. 88-95.

55. Яловой Н.С., Любимский A.M. Алгоритм и программа многофакторного статистического анализа характеристик потокаво входных патрубках насосов //Труды ВНИИгидромаша/ Исследование, расчет и конструирование гидромашин. 1979. -с. 3-14.

56. Яловой Н.С., Львов А.А., Кац A.M. Оптимизация условий эксплуатации конденсатных насосов /Известия высших учебных заведений. Энергетика. 1986. - Лг 6. - с. II2-II5.

57. ГОСТ 6134-87. Насосы динамические. Методы испытаний. -М.: Издательство стандартов, 1987. 29 с.

58. ГОСТ 6636-69. Нормальные линейные размеры. М.: Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1969. - 5 с,

59. Положительное решение по заявке 1 4728330/29 "Рабочее колесо центробежного насоса" /А.М.Кац, Н.С.Яловой, Р.Н.Соколов, А.Я.Хрусталев. Заявл. 23.06.89.

60. Положительное решение по заявке № 4728468/29 "Рабочее колесо центробежного насоса" /А.М.Кац, Н.С.Яловой, Р.Н.Соколов, А.Я.Хрусталев. Заявл. 23.06.89.

61. Acosta A.J. Ьошегтап R.D. An €xpeiimentai Studuof Ctntufuqai Pump Jtmpdlus.'Tians. of tht ASM£, Nov. /957, \oL 73,No S;PP №<-<859.

62. Dtan R.C., 5enoo Y. Rotating Wakes In the iTandzss Viffuuts-J. of baste &nfLnzzunaJians, of tht ASHE. Set D, Sept. /960, Ш.бг,Но.Ъ, PP56l-57k.

63. Натиск J. Т. iomt atwdunamic LnveittLgatLons in centtifuoat ImpMetsritans. of tht ASME,/956, Ш.78, PP. SB<'603.

64. Johnson J.} GrlnsbuiQ A, Some NAChReitaich on Ctnttifuqai CDmpiessDts,- Tians, oi tht ASME, /953, Vol, 75, No*5, PP 805-817, 1

65. Rut$chi K'} Schuxeiz, Ьаиъ.А/В, /937.р

66. ИКЭД. ИЧ ■«1 ------ 6НИИ еиЭромашЕ