автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Исследование и разработка осевого насоса с регулируемым направляющим аппаратом на входе рабочего колеса

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Расчет прогнозной характеристики осевого насоса с регулируемым направляющим аппаратом на входе.

1.1. Математическая модель осевого насоса.

1.2. Расчет теоретической и действительной напорной характеристики осевого насоса в зависимости от угла лопасти направляющего аппарата.

1.2.1. Напор при нулевом расходе Нто.

1.2.2. Напорно-расходная характеристика.

1.2.3. Определение расхода отрыва потока.

1.3. Решение системы уравнений Навье-Стокса.

1.4. Сравнение расчетных результатов, полученных по трем методикам.

Глава 2. Экспериментальное исследование осевого насоса.

2.1. Объект экспериментального исследования насоса типа HP

2.2. Схема установки, описание экспериментального стенда и физическая картина течения.

2.3. Средств измерения и оценка погрешности измерений

2.4. Оценка погрешности измерений.

2.5. Сравнение результатов экспериментального и теоретического исследования.

Глава 3. Методика расчета и профилирование осевого насоса с регулируемым направляющим аппаратом.

3.1. Введение.

3.1.1. Циркуляция.

3.1.2. Подъемная сила профиля.

3.1.3. Форма потока в осевом насосе.

3.2. Теоретические предпосылки для расчета осевого колеса.

3.2.1. Геометрические параметры профилей в решетке.

3.2.2. Гидродинамические параметры профилей в решетке.

3.2.3. Энергетические характеристики решетки профилей

3.3. Определение основных размеров рабочего колеса.

3.3.1. Гидравлический расчет.

• 3.3.2. Расчет решетки профилей рабочего колеса.

3.3.3. Выбор число лопастей.

3.3.4. Построение профилей конечной толщины.

3.4. Упрощенный метод расчета прямых решеток профилей. 80 3.4.1 Профилирование лопасти.

3.4.2. Расчет минимально допустимой густоты решеток профилей лопастей РК.

3.4.3. Расчет тонких и эквивалентных дужек лопастей рабочего колеса.

• стр.

Глава 4. Кавитационные характеристики осевого насоса типа

ОРН и определение рабочей зоны.

4.1. Определение кавитационного запаса.

4.2. Кавитационые характеристики насоса при разных углах лопасти направляющего аппарата.

4.3. Определение рабочей зоны.

ВЫВОДЫ.

Входной регулируемый направляющий аппарат в россиской практике насостроения применяется для регулирования напорной и энергетической характеристик насосов типа 200 ВЦР-16/63 и 240 ВЦР-25/40 и гидротурбин. Область регулирования параметров насосов незначительна по расходу до 8%, по напору до 16%. Обычно при проектировании насосного оборудования принимается нулевой момент скорости на входе в насос. При этом считается, что закрутка потока на входе в сторону вращения рабочего колеса снижает напор насоса и увеличивает массогаборитные показатели, а при закрутке потока против вращения рабочего колеса имеет место большие относительные скорости, что приводит к увеличению потерь, снижению КПД и кавитационных * качеств.

Расчетно-экспериментальные исследования, проведенные на кафедре прикладной гидроаэромеханики сумского государственного института (СумГУ) в 1989-2003г, показали, что не возникает проблем с улучшением эенергетических и кавитационных качеств при положительных и отрицательных моментов скорости на входе осевых и центробежных насосах. При этом, следует отметить, что появляется возможность перекрывать одним типоразмером насоса большие поля подач и напоров с большими значениями КПД и положительно влиять на форму напорной характеристики осевых насосов. Разработка и создание осевых насосов с моментом скорости, отмечающим от нулевого значения, является задачой не только возможной, но и целесообразной.

На основе проведенных исследований [5] были получены зависимости относительного напора, КПД и относительного расхода от

Полученная зависимость позволяет расчитать оптимальную конструктивную схему проточной части осевого насоса с регулируемым входным направляющим аппаратом. Она удобна для сбора и систематики данных по конкретным конструктивным решениям рассмотриваемых насосов и технико-экономичных покозателей.

В работах кафедры гидрофэромеханика проанализированы влияние момента скорости потока перед РК на энерегетическую характеристику осевого насоса с проточной частью ОП5. Оценка этого влияния выполнена путем решения прямой задачи обтекания решетки профилей, расположенных на осесимметричных поверхностей тока в слое переменной толщины по методу Б. С. Раухмана. Полученная зависимость (1), (рис.1) теоретического напора осевого насоса с лопастной системой HP от отрицательного момента скорости потока перед рабочим колесом характеризует влияние закрутки потока на режима обтекания решетки. Как показали расчеты при входном моменте скорости m = -0,345 наблюдается режим безударного входа, характеризующий равенство минимальных пиков относительной скорости на тыльной и лицевой стороне лопасти при значении Kq=0,637. Режим безударного входа на лопасти РК (без углов атаки) является оптимальным режимом, при котором кпд имеет наибольшее значение. При Kq=0,637 за рабочим колесом отсутствует закрутка потока [4], (рис.2.); что обеспечивает отсутствие дополнительных гидравлических потерь в отводящем безразмерного коэффициента момента скорости Щ =

R • Vu • D Q предложенного С. С. Рудневым:

О) устройстве насоса, т.к. на этом режиме отпадает необходимость устанавливать за рабочим колесам выправляющий аппарат.

Зависимость оптимальной подачи осевого насоса от момента скорости потока (рис.3.) показывает, что оптимальная подача соответствует значению КQ = 0,637 при m = -0,35.

Уменьшение закрутки потока практически не сказывается на величине относительных профильных потерь (рис.4.) При уменьшении ш на абсолютный уровень кпд осевого насоса оказывает влияние остаточная закрутка потока после РК. В связи с этим необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования для оценки влияния момента скорости потока перед РК на энергетическую характеристику в зависимости от угла натекания потока на лопастную систему рабочего колеса.

Для практического использования связи Н = f (m, r|, Q) по соотношению (1) необходимы зависимости Q = f(mi) и r| = f(mi). На кафедре СумГУ была проанализированы зависимость Q = f(mi). В пределах принятых допущении была получено соотношение е=-(ю) яти, +т](3ят1)+32

Соответствие полученного соотношение экспериментальным данным было осуществлено Щвиндиным А.И. в ВНИИ НЭН г. Сумы на модельном диагональном насосе с ns = 450. На стенде момент скорости менялся в приделах -0,3 < mj < 0,3 с помощью входного направляющего аппарата. На (рис.5.) представлено сравнение расчетных зависимостей и экспериментальных данных. Качественный характер зависимости по расчету и эксперименту хорошо совпадает для отрицательных значении

Количественные расхождения в области положительных значений предположительно связаны с принятием гипотезы о непрозрачности лопастной системы рабочего колеса. Из опыта известно, что полностью непрозрачные рабочие колеса отсутствуют и с ростом быстроходности прозрачность рабочих колес растет. Поэтому, полученную зависимость для относительного расхода от безразмерного коэффициента момента скорости нужно рассматривать как решение задачи в первом приближении.

На кафедре гидроаэромеханики СумГУ рассмотрены состояние и проблемы освоения производства осевых погружных моноблочных насосов в СНГ. Основные выводы сводятся к следующему;

- отсутствует полноценное производство указанного вида оборудования на территории С.Н.Г.

- ощущается значительная потребность в этом виде оборудования

- разработанные типоразмеры осевых погружных моноблочных насосов по своим конструктивным схемам не являются оптимальными.

- параметры осевых погружных насосов выбраны без учета создания необходимого единого типоразмерного ряда.

На основе выполнения большого объема НИИОКР на кафедре СумГУ разработана оптимальная конструктивная схема проточной части осевого погружного моноблочного насосного агрегата по схеме « направляющий аппарат - рабочее колесо», (рис .6.)

Поле параметров определено следующими соотношениями. [10] Напор < 15 м, Н = 5, 8, 12,5 м Расход : 200 < Q < 2000 м3/ч

Q = 280, 400 , 560 , 800 , 1100 , 1600 , 2200 , 3200 , 4500 , 6300 ,

9000, 12500, 18000 м3/ч п = 3000 ,1500 , 1000 , 750 об/м

N= 11 . 1000 Квт

D = 140 ,180, 220, 280, 360,450, 560, 700, 880

Модель ОШО, ОП2, ОП11, ОП5, ОП16, ОП6, ODIO, OD2, OD29

Kq = 0,6 т|г = 92 87 % средние значения rjMax= 89+- 90 % поле параметров (рис.7.).

Для решения поставленных задач необходимо провести специальный эксперимент по влиянию изменения уже установки лопаток направляющего аппарата на характеристику проточной гости насоса в целом. На основа изложенного следует вывод.

Постановке задачи создания типоразмерного ряда осевых погружных моноблочных насосов по схеме проточной части и направляющий аппарат -рабочие колесо целесообразна и актуальна.

Для создания осевого насоса нового типа, конструкция которого была бы более надежной, менее сложной и дорогостоящей по сравнению с ныне существующими конструкциями; необходимо решить следующие задачи:

- выполнить теоретическое исследование расчета характеристики нового осевого насоса с углом лопаток направляющего аппарата ссНа = -20°,-40°,-60°;

- разработать прогнозную характеристику исследуемого осевого насоса и математическую модель зависимости напора от угла лопасти РНА (Н = f(ccHA));

- провести, аналитический расчет теоретических характеристик на основе математической модели рабочего процесса осевого насоса;

- выполнить компьютерный расчет по программе CFX внешней характеристики кпд, мощности и кавитационных характеристик;

- разработать метод гидравлического расчета насоса по методу Вознесенского-Пекина и профилирование осевого насоса типа HP; разработать модель осевого насоса с регулирующим направляющим аппаратам на входе в насос; рассчитать кавитационые характеристики по данным компьютерных программ; провести экспериментальное определение напорной характеристики осевого насоса, у которого входной поток регулируется направляющим аппаратом на входе, выходной поток имеет преимущественно осевое направление;

- провести экспериментальное и теоретическое исследования характеристик осевого насоса на параметрах ОП-5 с целью получения исходных данных для расчета и определения степени согласования экспериментальных и теоретических результатов при применении разработанной методики для расчета конструкции осевого насоса с регулируемым направляющим аппаратом (ОРН).

Кнт

0.4 0.41 , в,5 O.JJ OA 0.» 0,7 0JI

Рис. 1. Зависимость теоретического напора осевого насоса от момента скорости потока перед рабочим колесом ь. к>

-0,345 -0,3 -0,25 т"-0,2

Рис. 2. Зависимость относительного момента скорости на выходе из рабочего колеса от момента скорости потока на входе и 1.1 ал -о,и 4.3 -а.з> ш

Рис. 3. Зависимость оптимальной подачи осевого насоса от момента скорости потока перед рабочим колесом vie* м

0 ■

0,4 ms m 0,«l 0,1 Oil ».1 0,71 Kq

Рис. 4. Зависимость относительных профильных потерь в рабочем колесе от момента скорости потока на входе

Qo- W 1.2

1.1 оТ""- - <с

O.S

-03 -0,2 -0,1 о u.i 02 03

Рис. 5. Зависимость Q=f(mi): 1 - расчет по формуле (10); 2 -эксперимент

Рис. 6. Погружной моноблочный насос: 1 - рабочее колесо; 2 направляющий аппарат; 3 - электродвигатель к» о,is o.t-аа. ai ом o.s е.» 0.7 С в Рис. 7. Поле параметров; одним типоразмером насоса: I - насос со специально спроектированным рабочим колесом; 2 - насос с рабочим колесом типовой лопастной системы серии ОП

1

ВЫВОДЫ

В результате выполнения теоретических и экспериментальных работ сделаны следующие выводы:

1. практически доказана возможность создания регулируемого осевого насоса нового типа ОРН, состоящего из регулируемого направляющего аппарата, установленного на входе в рабочее колесо осевого насоса с жестко закрепленными лопастями, вращающимися в обратную сторону навстречу потоку, выходящему из направляющего аппарата. При этом выходящий поток направляется по оси насоса без выправляющего аппарата с участком диффузора на выходе.

2. Предложенная конструкция нового осевого насоса характеризуется следующими преимуществами:

- отсутствием поворотной лопастной системы рабочего колеса;

- высоким гидравлическим КПД;

- повышенной надежностью;

- широкой областью применения;

- отсутствием выправляющего аппарата на выходе;

- меньшими габаритами и весом;

- жестким установлением лопастей рабочего колеса;

- более широким диапазоном регулирования;

- простым управлением.

3. В обоснование указанных преимуществ проведены следующие теоретические и экспериментальное исследования: для повышения эффективности разработки такого типа осевого насоса выполнен теоретический расчет прогнозной характеристики. По трем способам: «струйный» метод, метод дискретных вихрей и решение системы уравнений Навье-Стокса. Для расчета напорной характеристики использован программный пакет CFX. Полученные значения КПД не ниже 80%, и максимально достижимый КПД проточной части насоса в широком диапазоне углов установки направляющих лопаток составляет, согласно расчету, около 94%.

Разработан математический аппарат расчета теоретического напора. Предложенный метод Джавура заключается в расчете потерь в рабочем колесе, диффузоре, кольцевом зазоре, радиальном зазоре, вторичных потерь, а также потерь вследствие циркуляции жидкости.

Расчет кавитационного исследования выполнен программному пакету CFX. Определен максимум кавитационого запаса 3 м при критическом значении кавитационого коэффициента быстроходности Скр = 1000. При этом условии насос может работать без кавитации при угле лопасти направляющего аппарата в диапазоне от 0° до -40°.

Теоретические расчеты подтверждены экспериментами и результатами компьютерного моделирования. В результате их проведения определена рабочая зона осевого насоса типа ОРН по параметром: кавитационый запас АЬД0П (0,75м -5- Зм),

КПД (85% ч- 95%), напор Н (6м -г 10м), расход Q (0,21 м3/с ч- 0,54 м3/с), угол лопасти НА (0° ■¥ -40°).

- Расхождение по результатам вихревого дискретного метода и компьютерного пакета CFX, меньше чем 3% при угле установки лопатки РНА -20° а при угле установки лопатки РНА -40° отклонение показателей составляет 5%.

- Сравнивание по расчетам метода профессора Джавура и CFX компьютерный пакет для установки РНА с углом -40° составляет меньше чем 5%.

- Сравнение результаты характеристики по 3 указанным методам показало, что расхождение результатов при угле РНА -20°. Для установки РНА с углом -20° составляет отклонение меньше чем 5%.

4. В результате выполнения разработана методика расчета и проектирование осевого насоса нового типа ОРН с параметром ОП-5. Сравнение результатов, полученные экспериментальным путем напорные характеристики осевого насоса типа HP параметров ОП-5 с расчетными результатами по методу Джавура при частоте вращения (п) 730 об/мин и диаметре (D) рабочего колеса 470 мм, практически совпадают при угле лопасти направляющего аппарата -54°. 5. Результаты работы переданы на Калужский турбинный завод для разработки насосной установки с системой охлаждения аппаратом железнодорожного транспорта.

1. Белоцерковский С.М., Лифанов И.К. Численные методы в сингулярных интегральных уравнениях. М.: Наука, 1985. -256 с.

2. Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. М.: Наука, 1978.-352 с.

3. Брусиловский И. В. Регулирование осевых вентиляторов направляющим аппаратом // Промышленная аэродинамика. -(М.).- 1973.-Вып. 29.-С. 5-34.

4. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учеб. машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

5. Грянко JI.П., Папира А.Н. Лопастные насосы. Л.: Машиностроение, 1975.-432 с.

6. Гусак А. Г. Совершенствование проточных частей погружных моноблочных насосных агрегатов высокой быстроходности: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Сумы: СумГУ, 1997. - 21 с.

7. Джавур М. М. Анализ рабочих характеристик осевых насосов: Пер. докл. на конф. / ВЦП.- 1986. № М-21578:- 20с.

8. Джавур М. М. Расчет рабочих характеристик осевых насосов: Пер. докл. на конф. / ВЦП. 1986. - № М-21580:- 21с.

9. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1978.-463 с.

10. Карелин В.Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. М.: Машиностроение, 1975. - 335с.

11. Карл Пфлейдерер. Лопаточные машины для жидкостей и газов. Перевод. М.: Машгиз, 1955. - 683с.

12. Карцев Л.В. Гидродинамические передачи. М.: Издательство МГТУ, 1992.-142 с.

13. Каталог справочник. Насосы осевые типа «О», «ОП» и центробежные вертикальные типа В. - М.: Цинтихимнефтемаш, 1970. - 51' с.г

14. Копылова И.П., Клокова Б.К. Справочник по электрическим машинам. М.: Энергоатомиздат, 1988. - Т. 1.- 456 с.'

15. Копылова И.П., Клокова Б.К. Справочник по электрическим машинам. М.: Энергоатомиздат, 1989. - Т. 2. - 688 с.

16. Косторной С.Д. Гидродинамический расчет лопасти рабочего осевого насоса в плоском потоке. Харьков: ХПИ, 1986. -93с.

17. Кочевский А. Н., Неня В.Г. Современный подход к моделированию и расчету течений жидкости в лопастных гидромашинах // Вестник СумГУ (Сумы). 2003. - № 13 (59) -С. 195-210.

18. Кочевский А.Н. Оптимизация геометрических параметров отводящих устройств насосов высокой Быстроходности с лопастной системой типа HP: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Сумы: СумГУ, 2001.-19 с.

19. Кочевский А.Н. Результаты исследовании течения в отводящем устройстве насоса с лопастной системой типа HP // Вестник НТУ "ХПИ" (Харьков). 2001. - Вып.129, 4.2. -С.332-342.

20. Кочевский А.Н., Кочевский Н.Н. Экспериментальное исследование структуры потока за рабочим колесом осевых насосов // BicHUK СумДУ (Сумы). 2001. - №9(30)-10(31 }-С. 170-179.

21. Кочевский Н.Н. Разработка методики расчета лопастных систем насосов с использованием современных методов расчета пространственного потока. Анализ экспериментальных и расчетных данных Сумы: ВНИИАЭН, 1979.-198с.

22. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач / Под ред. С.С. Руднева и Л.Г. Подвидза. М.: Машиностроение, 1974.- 245с.

23. Лифанов И.К. Метод сингулярных интегральных уравнений и численный эксперимент. М.: ТОО "Янус", 1995. - 520 с.

24. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970.-904 с.

25. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. М.-Л.: Машиностроение, 1966. - 364 с.

26. Лопастные насосы: Справочник / В.А. Зимницкий, А.В. Каплн, А.Н. Папир и др. Л.: Машиностроение, 1986. - 334 с.

27. Малюшеко В.В. Расчет и профилирование осевого насоса. -Харьков: ХПИ, 1982.-51с.

28. Маунг Кхин Эй, Казмиренко В.Ф., Козлов С.Н. Модель рабочих процессов осевых электронасосов с регулируемым направляющим аппаратом на входе // Труды МНТК. Санкт-петебург, 2003.-С.105-107.

29. Маунг Кхин Эй, Казмиренко В.Ф., Козлов С.Н. Осевой насос с входным направляющим аппаратом // Гидромашиностроение. Настоящее и будущее.: Тез. докл. МНТК М., 2004. - С. 42.

30. Маунг Кхин Эй, Казмиренко В.Ф., Козлов С.Н. Осевой насос с входным направляющим аппаратом // Гидравлические машины и гидроприводы и гидропневмоавтоматика.: Тез. докл. ВНТК М., 2004. - С. 20.

31. Маунг Кхин Эй, Козлов С.Н., Макаров К.А. Расчет прогнозной характеристики осевого насоса с регулируемым направляющим аппаратом на входе // Насосы. Эффективность и Экология.: Тез. докл. МНТК-М., 2005. С. 22-23.

32. Маунг Кхин Эй, Козлов С.Н. Расчет напорной характеристики осевого насоса с входным направляющим аппаратов // Насосы & оборудование.: Отраслевой журнал (Киев). 2005.- № 2(31)-3(32) - С. 58-63.

33. Маунг Кхин Эй, Козлов С.Н. Расчет течения в проточной части осевого насоса с поворотными направляющими лопатками // Насосы & оборудование.: Отраслевой журнал (Киев).- 2004. -№5(28)- С.42-47.

34. Маунг Кхин Эй, Фомичев В.М. Регулирование системы нового типа осевого насоса с направляющими аппаратами на входе // Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: Тез. докл. ВНТК М., 2005. - С. 25.

35. Машин А.Н. Расчет и проектирование спирального отвода и полуспирального подвода центробежного насоса. М.: Изд. МЭИ, 1980. - 44 с.

36. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления. М.: Машиностроение, 1971.- 305 с.

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

38. Овсянников Б.В., Чебаевский В.Ф. Высокооборотные лопаточные насосы. М.: Машиностроение, 1975.- 336 с.

39. Петров В.И., Чебаевский В.Ф. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах. М.: Машиностроение, 1982. - 224 с.

40. Руднев С.С., Матвеев И.В. Методическое пособие по курсовому проектированию лопастных насосов. М.: Изд. МВТУ, 1974. -З5.с.

41. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы, теория, конструирование и применение. М.: Машиностроение, 1960. -463с.

42. Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод. М.: МГИУ, 2003.-192с.

43. Pozrikidis С. Fluid dynamics, theory, computation and numerical simulation. San Diego (USA), 2001. - 668 p.

44. Stepanoff A.J. Centrifugal and axial flow pumps. New York, 1948.-428 p.

45. Javur M. M. Analysis of performance characteristics of axial flow pumps // American society of Mechanical Engineers' winter annual. New York, 1983. -P 201-210.

46. Javur M. M. Evaluation of pump performance characteristics of axial flow pumps // Eight Technical conference of the British pump Manufacturer's Association. Cambridge, 1983. -P 205-220.