автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Развитие методов расчета элементов проточной части шнеко-центробежных насосов на основе двухмерных и трехмерных моделей течения

На правах рукописи

Пугачев Павел Владимирович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ШНЕКО-ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ НА ОСНОВЕ ДВУХМЕРНЫХ И ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ТЕЧЕНИЯ

Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 НОЯ 2012

Санкт-Петербург - 2012 г.

005055183

Работа выполнена на кафедре «Гидромашиностроение» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, доцент, Жарковский Александр Аркадьевич. Официальные оппоненты:

Климович Виталий Иванович, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева;

Захаров Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент, ОАО «Силовые машины», г. Санкт-Петербург, ведущий инженер-конструктор С КБ «Гидротурбомаш» «ЛМЗ»

Ведущая организация: ОАО «ЦКТИ», г. Санкт - Петербург

Защита состоится «27» ноября 2012 г. в 18 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.09 при ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, Главное здание, ауд. 130.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» Автореферат разослан «2£» октября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.09 доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Центробежные насосы (ЦБН) широко применяются на атомных и тепловых электростанциях, где насосное оборудование задействовано во всех основных технологических и вспомогательных системах: в схеме подачи питательной воды в парогенератор, в главном циркуляционном контуре, циркуляционной системе охлаждения конденсаторов турбин, тракте основного конденсата и системе безопасности. В связи с развитием энергетики за последние 15...20 лет потребность в насосах для ТЭС и АЭС постоянно растет.

Увеличение энергоемкости агрегатов приводит к необходимости повышения эффективности насосов в возможно более широком диапазоне подач. Помимо высокой эффективности насосы достаточно часто должны иметь и высокие антикавитационные качества, для достижения которых широко используют схему насоса с предвключенным колесом - осевым с переменным шагом (ПК) или осевым с постоянным шагом - шнеком.

Разнообразие типов и параметров насосов требует сокращения сроков и повышения качества проектирования, что возможно с применением систем автоматизированного проектирования (САПР), в основе которых лежат математические модели для расчета течения, потерь и прогнозирования характеристик насосов. Применение математических моделей дает возможность вести процесс многовариантного проектирования с оценкой качеств элементов насоса и выбором оптимального варианта на стадии проектирования.

В настоящее время для оценки течения и потерь в лопастных системах насосов хорошо зарекомендовали себя двухмерные методы, которые требуют небольшого времени на их реализацию по сравнению с трехмерными методами и которые дают удовлетворяющие практику результаты. На завершающем этапе проектирования и оценки энергокавитационных качеств насосов используют трехмерные методы. Требуется развитие методов проектирования элементов проточной части для шнеко-центробежных насосов и создание методики прогнозирования их кавитационных характеристик В связи с вышесказанным разработка и совершенствование методов проектирования и расчета элементов проточных частей шнеко-центробежных насосов с применением методов математического моделирования является актуальной.

Цель и задачи работы. Целью работы являлось совершенствование методов проектирования элементов проточной части шнеко-центробежных насосов с повышенными энерго-кавитационными качествами и методов прогнозирования их энергокавитационных характеристик с использованием двухмерных и трехмерных моделей расчета.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

- провести анализ существующих методов проектирования предвключенных колес и шнеков и методов прогнозирования их кавитационных характеристик;

- разработать и апробировать методику прогнозирования кавитационных характеристик предвключенных осевых колес шнеко-центробежных насосов на основе двухмерных и трехмерных методов расчета бескавитационного течения;

- разработать и апробировать методику проектирования предвключенных колес с ис-

пользованием двухмерных и трехмерных методов;

- провести расчетные исследования влияния параметров лопаточного направляющего аппарата на его гидравлические качества и дать рекомендации по их выбору.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решены на основе применения методов вычислительной гидродинамики и анализа экспериментальных данных.

Научная новизна. Разработана и апробирована методика прогнозирования частных ка-витационных характеристик предвюпоченных колес осевого типа на основе анализа бескави-тационного течения. Выявлены факторы, влияющие на степень развития кавитационных явлений в ПК, с учетом которых разработана методика проектирования ПК шнеко-центробежных насосов с высокими энергокавитационными качествами с использованием двухмерных и трехмерных методов.

Получены рекомендации по выбору параметров лопаточных направляющих аппаратов центробежных насосов низкой и средней быстроходности.

Практическая значимость работы. Разработанные методики проектирования предвюпоченных осевых колес и оценки их антикавитационных качеств использованы в ОАО «Пролетарский завод» при проектировании проточных частей ряда конденсатных электронасосных агрегатов: КЭНА 2245-220 и КЭНА 2000-100 для Нововоронежской АЭС-2 и Ленинградской АЭС-2, КЭНА 1250-250 для Белоярской АЭС-2 и др.. Разработанные насосы отвечают современным техническим требованиям и имеют характеристики на уровне конденсатных насосов ведущих мировых производителей. При проектировании проточпых частей указанных насосов были использованы разработанные автором рекомендации по выбору параметров лопаточных направляющих аппаратов.

Рекомендации по использованию. Результаты работы рекомендованы к использованию при проектировании проточных частей (ПЧ) шнеко-ценгробежных насосов с высокими антикавитационными и энергепиескими качествами.

Достоверность результатов. Достоверность результатов теоретических исследований с использованием двух- и трехмерных методов подтверждена хорошей сходимостью с результатами экспериментов.

Личный вклад соискателя. В научных публикациях, которые раскрывают основные результаты работы, автору принадлежат:

- создание и апробация методики расчета кавитационных характеристик предвключен-ных осевых колес шнеко-центробежных насосов с использованием двухмерных и трехмерных гидродинамических методов, на основе анализа бескавитационного течения;

- создание методики проектирования предвюпоченных колес ступеней насосов, обладающих высокими энергокавитационными качествами, с использованием двухмерных и трехмерных методов;

- результаты расчетного исследования влияния параметров лопаточного направляющего аппарата на гидравлические качества ЦБН.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на конференциях: МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика.

современное состояние и перспективы развития». СПб, СПбГПУ, 2008- МНТК "ECOPUMP.RU'2008. Эффективность и экологичность насосного оборудования" М 2008- 7 «и МНПС студентов и аспирантов "Гидромашины, гадронриводы и пщропневмоавгома™-ка . М, МГТУ им Баумана, 2008; 6-ая МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» СПб СПбГПУ 2010; МНТК "ECOPUMP.RU'2010. Эффективность и экологичность насосного Трудов, ния . М, 2010; 15-ая МНТК студентов и аспирантов «Гидромашины, гидроприводы и птдро-пневмоавтоматика". М, МГТУ им Баумана, 2011; XIII МНТК «ГЕРВИКОН-201Г" Между народный форум "НАСОСЫ-2011". СумГУ, г. Сумы, Украина, 2011; МНТК » Эффективность и экологичность насосного оборудования и инновационное оборудование и технологии в арматуростроении ". М, 2011.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ (в т ч 7 работ в журналах, рекомендованных ВАК).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав заключения и библиографического списка литературы из 82 наименований. Основное содержание работы изложено на 161 странице (включает 141 рисунок и 17 таблиц).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введен,,,, обоснована актуальность выполнения работы но совершенствованию методов проектирования элементов проточной части шнеко-цешробежных насосов. Сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе дан обзор состояния проблем, связанных с методами проектирования предвключенных осевых колес и лопаточных направляющих аппаратов многоступенчатых шнеко-цеп-фобежных насосов, и прогнозирования их гидравлических качеств

Существующие методы проектирования ПК не дают инженеру информации о пути возможного повышения ИХ энергокавитационных качеств и, зачастую, не позволяют выбрать оптимальные параметры лопастной системы (ЛС). В рамках проектирования ЛС пщротур-бин и насосов хорошо себя зарекомендовал программный комплекс автоматизированного проектирования (САПР ЛС), разработанный в ОАО ЦКТИ. В комплекс входят осесиммет-ричная задача в редакции В. И. Климовича и задача обтекшим профилей в слое переменной толщины, разработанная Б. С. Раухманом. Реализация геометрии проточной части и ЛС осуществлена А. В. Федоровым. Комплекс позволяет оперативно оценивать пщравлические качества спроектированных лопастных систем. Методика проектирования ПК с использованием данного подхода в настоящее время отсутствует.

В отличие от отводов канального типа экспериментальные данные по влиянию параметров лопаточного направляющего аппарата (ЛНА) на гидравлические качества ступени насоса отсутствуют. Проведение многовариантных расчетов течения в ЛНА с предварительной апробацией методов расчета позвошт определить оптимальные параметры ЛНА для проточных частей ЦБН с коэффициентом быстроходности п3=110^ 130.

Во второй главе выполнена апробация методов расчета пространственного вязкого течения и потерь, используемых в работе.

С этой целью проведено расчетное исследование потерь в дозвуковых решетках, по которым имеются экспериментальные данные Степанова Г.Ю., полученные в ЦИАМ им. П.И. Баранова. При углах атаки от -20 до +30° получена хорошая сходимость расчетных и экспериментинтегральных характеристик потока - потерь в решетках лопаток (рис. 1).

• эксперимент

Рис. 1. Зависимость коэффициента потерь от угла входа потока (профиль № 69)

На кафедре гидромашиностроения СПбГПУ были проведены исследования ступени питательного насоса (ПН) с коэффициентом быстроходности п$= 120. На определенных режимах (0,7£>ном, <2ном и 1,30ном) фиксировалось положение донных линий тока на обтекаемых поверхностях. Линии тока фотографировались и переносились на кальку.

С целью апробации методов расчета трехмерного вязкого течения в ступенях насосов, для указанных режимов был проведен численный эксперимент с применением стандартной к-е модели турбулентности и расчетной области, состоящей из последовательно соединенных через интерфейс "осреднение по окружности" сегментов элементов проточной части с заданными условиями периодичности.

На рис. 2 представлены расчетная модель проточной части и донные линии тока (ДЛТ) на поверхности стороны разрежения лопасти рабочего колеса (РК) промежуточной ступени, полученные по результатам проведенного физического (слева) и численного (справа) экспериментов на номинальном режиме работы. Сравнение напорных характеристик приведено на рис. 3.

Выход

Рис. 2. Модель проточной части и ДЛТ на стороне разрежения лопасти РК ПН, Q=Qкoм

о 50 100 150 200 250 300 Q, м7ч

Рис. 3. Напорные характеристики ступени

—■— физический эксперимент 1ая ступень

—•— физический эксперимент промежуточная ступень

— л — численый эксперимент 1ая ступень

— • — численый эксперимент промежуточная ступень

Из сравнения интегральных расчетных и экспериментальных параметров потока (рис. 3) можно видеть, что на номинальном режиме расхождение по напору не превышает 5%. В целом, имеет место достаточно хорошее согласование качественной картины течения

и интегральных параметров при численном и экспериментальном исследовании проточной части ступени многоступенчатого центробежного насоса.

Предвюпоченное колесо шнеко-центробежного насоса является осевым, поэтому для апробации методов расчета пространственного вязкого течения в колесах такого типа был проведен численный эксперимент с использованием программного комплекса Апэуз СРХ 12 для проточной части осевого насоса "ОД-21" с коэффициентом быстроходности «5= 1280 (<2=640 м3/час; Н = 1,63 м; и = 1200 об/мин), по которой имелись экспериментальные данные.

Численный эксперимент выполнялся на режимах работы в диапазоне (0,9... 1,1) 2„ом.

область РК

поверхность интерфейса "stage"

Рис. 4. Расчетная модель проточной части осевого насоса ОД-21

Рис. 5. Зависимости КПД ступени насоса от режима работы

- физический эксперимент

- численный эксперимент

Из сравнения интегральных расчетных и экспериментальных параметров потока можно видеть, что расхождение по напору на номинальном режиме работы составляет 2%, по КПД - 1,5%. Получено достаточно хорошее качественное согласование интегральных параметров при численном и экспериментальном исследовании проточной части осевого насоса.

В главе 3 разработана и апробирована методика прогнозирования частных кавитацион-ных характеристик ПК, основанная на анализе распределения давления в проточной части ПК, полученного по расчету бескавитационного течения. Данный подход позволяет значительно сократить время расчета частных кавитационных характеристик ПК, и выбрать оптимальные параметры ЛС ПК при многовариантном проектировании.

Определенные по разработанной методике срывные характеристики сопоставлялись с результатами расчетов течения с использованием двухфазной модели кавитации Амуэ СРХ 12, которая дает удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными (см. рис. 6).

н, % 102

101

100

99

98

97

96

95

94

93

92

91

90 ^

0,00 5,00 10,00 15,ОО 20,00 25,00

Рис. 6. Сопоставление расчетной и экспериментальной частных кавитационных характеристик НПВ 5000 - 120 при 0 = 0,82вм = 5000 м3/ч

Расчетный анализ бескавитационных течений в различных ПК на разных режимах работы показывает, что область максимального динамического разрежения образуется непосредственно перед входом в лопастную систему ПК. Однако при работе ПК с кавитационным запасом, не обеспечивающим полное отсутствие кавитации, протяженность кавитационных каверн значительно превышает размеры областей с разрежением, соответствующим данному кавитационному запасу при бескавитационном течении. На рис. 7 представлены эпюры давлений вокруг лопасти ПК в периферийном сечении, полученные расчетом с использованием двухфазной модели кавитации Амуэ СРХ 12. Явление кавитации в лопастных гидромашинах, возникает не только на поверхностях лопастей, но и в той области проточной части, где местное статическое давление в потоке падает до давления, близкого к давлению насыщенных паров. Развитие кавитации сопровождается образованием кавитационных каверн, размеры которых увеличиваются с уменьшением величины кавитационного запаса, что приводит к

------

■ —*—Двухфазная модель Ап 5увСРХ 12

■ Эксперимент

увеличению скоростей в проточной части, а значит к дополнительному снижению давления. Следовательно, необходимо учитывать изменение скоростей вследствие образования кави-тационных каверн на входе в лопастную систему ПК.

Р, Па

Рис. 7. Эпюры давлений вокруг лопасти ПК в периферийном сечении при различных значениях кавитационного запаса

Так как максимальное разрежение в проточной части ПК возникает на входе в лопастную систему, то логично предположить, что поперечные размеры кавитационных каверн определяются размерами областей с разрежением, соответствующим данному кавитационному запасу при бескавитационном течении. Тогда, если представить, что на входе в ПК образовалась кавитационная каверна, занимающая определенную часть площади его канала, то скорость на стороне разрежения ПК в рассматриваемом сечении (5'=сопз1) составит

(¥„, =№--^—,

где № - относительная скорость на стороне разрежения лопасти ПК при отсутствии кавитации; - площадь сечения канала ПК на входе; - площадь, занимаемая кавитационной каверной. Величина снижения давления в рассматриваемом сечении на стороне разрежения лопасти ПК составит

Др(5) _ Рё 2-я

Наличие кавитации на стороне разрежения лопасти ПК в сечениях 5=соп81 определяется из условия:

Р@)<Р<1 + Ар@) (1),

где 5 - осевая координата ПК, р(5) - давление на лопасти ПК при бескавитационном течении. В момент, когда данное условие перестает выполняться, кавитационная каверна пропадает и происходит резкое увеличение давления.

На рис. 8 представлено распределение давления в развернутом цилиндрическом сечении

ПК при бескавитационном течении.

Каждому значению кавитационного запаса ПК будет соответствовать определенная площадь области разрежения, которую можно определить, рассмотрев п сечений ПК.

Протяженность кавитационной каверны определяется из условия (1).

При достижении каверной сечения канала ПК между рабочей и тыльной сторонами лопасти происходит понижение давления у рабочей стороны, что видно из рис. 7. В момент, когда давление на рабочей стороне лопасти понижается до величины давления парообразования, входная часть рассматриваемого цилиндрического сечения полностью захватывается областью кавитации. Именно в этот момент по результатам расчетов с двухфазной моделью кавитации фиксируется резкое снижение напора и КПД ПК.

Рис. 8. Поле давления в цилиндрическом сечении ПК при бескавитационном течении

На режимах малых подач в периферийной части на входе в ПК возникает область противотока, обеспечивающая практически безударный вход активного потока. Т.е. средние скорости активного потока на входе ПК практически не меняются при изменении подачи.

Экспериментально установлено, что при развитии кавитации в ПК область противотока уменьшается вследствие загромождения проходного сечения кавитационными кавернами.

Результаты расчетов течения в ПК с использованием двухфазной модели кавитации Ашуэ СРХ 12 подтверждают данный факт. В момент непосредственно перед полным срывом напора ПК область противотока отсутствует.

Обозначим подачу предвключенного осевого колеса <2м, при которой поток поступает в его лопастную систему безударно.

I

400000

Для разрабатываемой методики прогнозирования частной кавитационной характеристики ПК принято, что на режимах малых подач увеличение относительных скоростей в каналах и меридианных скоростей на входе в ПК происходит при условии Fи>Fл, где Рп - площадь

занятая противотоком, которая принимается равной р = • (1 - .

V2

Момент полного срыва напора ПК определяется условиями РК1>РП (2) и АЛ = м~сг (3),

2-Я

где Ум ер - среднее значение меридианных скоростей на входе в ПК с учетом загромождения проходного сечения кавитационными кавернами.

На режимах работы ПК как правило, при значении кавитационного запаса,

соответствующем средней величине удельной кинетической энергии активного потока при бескавитационном обтекании, т.е. при выполнении условия (3), еще остается запас по наличию противотока, т.е.условие (2) не выполняется. При этом скорости потока на входе в ПК могут незначительно уменышггься, что дает некоторый запас по моменту полного срыва напора, однако, работа ПК при этом будет неустойчивой.

На режимах работы ПК 0>0,5<2м область противотока пропадает до момента выполнения условия (2), после чего происходит увеличение меридианных скоростей активного потока до момента выполнения условия (3).

Прогнозирование кавитационных характеристик ПК до момента полного срыва напора ведется на основе методики Топажа Г.И., разработанной и используемой для определения кавитационных качеств гидравлических турбин. Только вместо исходных эпюр давления при бескавитационном обтекании лопастей будут использоваться модифицированные эпюры давления, определенные с учетом увеличения относительных скоростей в каналах ПК.

Запишем выражение для гидравлического КПД ПК насоса:

где Мг - крутящий момент относительно оси вращения рабочего колеса, со - угловая частота вращения РК, £> - подача ПК, Я - напор ПК, р - плотность перекачиваемой жидкости.

Из представленной формулы следует, что при уменьшении величины крутящего момента будет уменьшаться отношение —. Значение данного отношения может уменьшаться за

счет понижения величины напора или за счет одновременного понижения напора и гидравлического КПД, но при этом интенсивность падения Н должна быть больше интенсивности снижения Т/г-

Величина момента Мг определяется по формуле:

где До - перепад давлений на элементарной меридиональной проекции площадки <Е поверхности лопасти.

В рамках указанных допущений можно по изложенной выше методике построить харак-

ПГ =

5

теристику МтгЯЩ- Зависимость снижения Н при уменьшении ДА будет повторять зависимость А/г=ґ(ДА) только в случае (трсопв!:).

На рис. 9 приведено сопоставление частных кавитационных характеристик ПК на режимах работы С>=<3М и <3 = 0,5£>м, рассчитанных по разработанной методике и двухфазной модели кавитации Агауэ СїїХ 12. Для режима работы = 0,52^ дополнительно была нанесена срывная характеристика полученная по разработанной методике, но с учетом уменьшения КПД ПК определенного по расчету в Апзуэ СРХ 12.

<5 = 0,5-й,,

80

Рис. 9.

Сопоставление расчетных частных кавитационных характеристик

Таким образом, разработанная методика прогнозирования частных кавитационных характеристик ПК позволяет спрогнозировать зависимость падения напора от величины кавитационного запаса с большей точностью в диапазоне подач = (0,8-М ,0Х2м при условиях отсутствия областей провалов давления на входе рабочей стороны лопасти. На режимах работы Q < 0,5<2М вследствие уменьшения КПД ПК при значительном снижении кавитационного запаса точность прогнозирования кавитационной характеристики падает, однако, момент полного срыва напора ПК прогнозируется хорошо.

Глава 4 посвящена совершенствованию методов проектирования ПК и ЛНА (рис. 10) с целью обеспечения лучших энергокавитационных качеств шнекоцентробежных насосов.

Исходя их представленных в главе 3 данных, следует, что лучшими антикавитационны-ми качествами будет обладать ПК, в котором обеспечены минимальные пики разрежения на

входе в ПК, а значит и меньшие поперечные размеры кавитационных каверн при различных значениях кавитационного запаса. Помимо этого, для достижения максимальных антикави-тационных качеств ПК необходимо обеспечить вид эпюр давлений вокруг его лопастей, исключающий провалы на стороне давления и разрежения. Причем, чем интенсивнее будет рост давления на стороне разрежения лопасти ПК от входа к выходу, тем раньше будет схло-пываться кавитационная каверна, и, следовательно, достигать стороны давления следующей лопасти при меньших значениях кавитационного запаса.

С учетом изложенного разработана методика проектирования ПК и рекомендации по выбору его геометрических параметров.

корпуса секций

от относительной меридианной координаты в периферийном сечении: ----САПР ЛС;

- Апзуэ СРХ 12 гидравлически гладкие стенки;

- Апвуз СРХ 12 с условием проскальзывания

С использованием двухмерных и трехмерных методов проведены расчеты эгпор давления (рис. 11) и относительных скоростей вокруг лопасти ПК в различных сечениях.

Проведено сравнение интегральных расчетных параметров ПК по САПР ЛС и Амуэ СИХ 12. Разница в величине напора составила =2 %, гидравлического КПД ~5 %.

Хорошая сходимость результатов расчетов ПК по САПР ЛС и Апяув СИХ 12 подтверждает целесообразность использования разработанной методики проектирования ПК.

С целью определения оптимальных параметров ЛНА насосов с использованием Апзув СРХ 11 были проведены расчетные исследования течения в ЛНА с различными геометрическими характеристиками для ступени насоса с коэффициентом быстроходности п3=120.

Рассматривались ЛНА с плоскими диффузорными участками (Ь4=Ь3) , т.к. они являются более технологичными. Течение во всех ЛНА было рассчитано для пяти режимов работы: (0,8-И ,2)СЬгом.

Увеличение угла раскрытия канала ЛНА до значений адеФ=11-42° сказалось положительно на величине потерь (рис. 12) и степени преобразования кинетической энергии в энергию давления.

Для проточных частей насосов с коэффициентом быстроходности их=110-Н30 с диаметром выхода 04=1,4£>2 можно рекомендовать лопаточный направляющий аппарат с количеством лопаток 2а= 12, углом диффозорности адцФ= 11° и суммарной площадью проходных сечений, рассчитанных из условия обеспечения скорости, определенной по формулам:

«о =—тЧ^;где =Кскс =1.69-«;0,32.

2 НА ■ V УЪГ

В главе 5 приведены результаты проектирования проточной части конденсатного электронасосного агрегата КЭНА 2245 - 220 для Нововоронежской АЭС-2. Выполнена расчетная оценка его энергокавитационных качеств с использованием двухмерных и трехмерных методов. Насос - центробежный, вертикальный, двухкорпусной секционного типа, четырехступенчатый с предвключенным колесом осевого типа и разгрузочным барабаном. Коэффици-

ент быстроходности ступени «3=212. пч представлена на рис. 10. Проектирование ПК и оценка кавитационных качеств велись с использованием разработанных методик

В таблице 1 представлены расчетные и экспериментальные значения напора насоса и КПД. Величины обьемното и внутреннего механического КПД определялись по известным эмпирическим зависимостям. Также учитывались потери в системе разгрузки от осевой силы и увеличение КПД за счет работы насоса при температуре 1=87,3

Параметры САПР ЛС Апэуз СРХ 12 Эксперимент

напор насоса, м Н 245,7 238,1 231,0

КПД насоса, % -і_ п 84,8 80,9 82,7

На рис. 13 представлена

характеристика КЭНА 2245 - 220, полученная в результате проведения заводских испытаний.

1200

1600

2000

2400

70 60 50 40 30 20 10 0

2800 мі/ч

Дії

8— 64" 2-о-1-

♦ эксперимент • САПР/1С Апзу5 СРХ 12 Рис. 13. Характеристики конденсатного электронасосного агрегата КЭНА 2245 - 220 (п=1485 об/мин, 1=87,3 °С)

гдп!™Г РЄЗУЛЬТаТОВ РЗСЧеТа И эксперимента по величине напора составило 6% для САПР ЛС и 3% для Ашуз СРХ 12, по КПД 2 % и 2 % соответственно

Средства измерений испытательного стенда обеспечивали значения предельных относительных погрешностей подачи - не более 2%, напора - не более 1,5% и КПД - не более 3%

Расчетами была спрогнозирована частная кавитационная характеристика ПК по кото-рои срыв работы происходил при ЛИ =3,0 м. Расчетная картина течения в проточной части при данном значении кавитационного запаса представлена на рис. 14.

Рис. 14. Области кавитационных каверн приЛА =3,0 м

область кавитации стороне давления

Можно видеть, что срыв напора ПК происходит при образовании зоны разрежения на стороне давления его лопасти. Экспериментальные частные кавитационные характеристики КЭНА 2245 - 220 определялись по падению величины напора насоса. На номинальном режиме и режимах меньших подач при величине кавитационного запаса ЛЛ=3,4 м падение напора не наблюдалось и испытания прекращались.

ВЫВОДЫ

1. Разработана и апробирована методика, позволяющая прогнозировать частные кавитационные характеристики ПК на основе анализа бескавитационного течения с точностью до 10% по моменту полного срыва напора.

2. Выявлено, что лучшими антикавитационными качествами будет обладать ПК, в котором обеспечены минимальные пики разрежения на входе, эпюры давлений без провалов на стороне давления и разрежения и интенсивный рост давления на стороне разрежения лопасти ПК от входа к выходу.

3. С учетом результатов расчетных исследований разработана методика проектирования ПК шнеко-центробежных насосов с высокими энергокавитационными качествами с использованием двухмерных и трехмерных методов.

4. Проведены расчетные исследования влияния геометрических параметров ЛНА на гидравлические качества ступени с коэффициентом быстроходности «^=11СН-130. Для ЛНА с наружным диаметром В4=1,4£>2 рекомендовано количество лопаток 2д=\2 и угол диффозор-ности адиф= 11°. Для ЛНА подтверждены рекомендации Степанова А.И. для отводов канального типа по выбору площади проходных сечений на входе в направляющий аппарат.

5. Результаты расчетных исследований нашли хорошее подтверждение в полученных экспериментальных данных.

6. Разработанные методики проектирования предвключенных колес и оценки их энерге-

тических и кавитационных качеств, а также рекомендации по проектированию ЛНА использованы в ОАО «Пролетарский завод» при проектировании проточных частей ряда конден-сатных электронасосных агрегатов: КЭНА 2245-220 и КЭНА 2000-100 для Нововоронежской АЭС-2, КЭНА 1250-250, КЭНА 1050 - 100, КЭНА 440 - 200, КЭНА 125 - 55 и КЭНА 50 - 55 для Белоярской АЭС-2.

Агрегаты КЭНА 2245-220, КЭНА 2000-100, КЭНА 125 - 55 и КЭНА 50 - 55 по результатам приемочных испытаний уже подтвердили требуемые технические параметры на уровне конденсатных насосов ведущих мировых производителей.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Алексенский В.А. Исследование структуры потока и прогнозирование характеристик секционного центробежного насоса низкой быстроходности / Алексенский В.А., Жар-ковский АА., Пугачев ПВ., // Известия Самарского научного центра российской академии наук. Том 13. - Самара.: Изд-во Самарского научн. Центра РАН, 2011. - №1(2). - С. 407-410

2. Богун B.C. Изменение напора центробежного рабочего колеса путём запиловки выходных кромок лопастей / Богун B.C., Жарковский A.A., Пугачёв П.В., Шумилин С.А. // Компрессорная техника и пневматика, 2010. - №3. - С. 36-40

3. Поспелов А.Ю. Расчетное исследование течения и потерь в прямых и круговых решетках / Жарковский A.A., Поспелов А.Ю., Пугачев П.В.// Компрессорная техника и пневматика, 2011. - № 6. - С. 32-35

4. Пугачев П.В. Компьютерное исследование и визуализация течения в центробежных насосах / Жарковский A.A., Куриков H.H., Пугачев П.В., Шабров H.H.// Научно-технические ведомости СПбГПУ, Информатика. 2010. -№103. - С. 119-123

5. Пугачев П.В. Расчетное определение кавитационных характеристик центробежных насосов / Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. // Известия Самарского научного центра российской академии наук. Том 13. - Самара : Изд-во Самарского науч. центра РАН, 2011.-№1(2).-С. 411—414

6. Пугачев П.В. Улучшение кавитационных показателей циркуляционных насосов производства ОАО "Пролетарский завод" / Богун B.C., Путачев П.В., Шумилин С.А. // Морской вестник, 2007. -№1 (21). - С. 36-37.

7. Свобода Д.Г. Исследование влияния параметров расчетного трехмерного вязкого течения на прогнозные характеристики осевого насоса / Свобода Д.Г., Жарковский A.A., Пугачев П.В., Донской A.C. // Известия Самарского научного центра российской академии наук. Том 14. - Самара. : Изд-во Самарского науч. центра РАН, 2012. - № 1 (2). - С. 685 - 688

Статьи в научных изданиях

8. Пугачев П.В. Расчётное исследование потерь в напраатяющих аппаратах канального и решеточного типов / Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. // Насосы & оборудование. - Киев. : Изд-во РАПН, 2011. - № 1. - С. 44-66

Подписано в печать 19.10.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8911Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии 000"К0СК0". 198052, Санкт-Петербург, 6-ая Красноармейская ул., 24, офис 21. Тел.:(812)712-63-13 Тел./факс: (812) 317-964)0

Введение.

1. Обзор литературы, цель и задачи исследований.

1.1. Проектирование шнеков и предвключенных колес.

1.2. Проектирование направляющих аппаратов.

1.3. Методы расчета энергетических характеристик элементов проточных частей насосов.

1.4. Методы расчета кавитационных характеристик элементов проточных частей насосов.

2. Апробация методов расчета течения и оценки потерь.

2.1. Расчетное исследование потерь в дозвуковых решетках.

2.2. Расчетно-экспериментальное исследование течения в рабочем колесе питательного насоса.

2.3. Расчетно-экспериментальное исследование течения в проточной части консольного моноблочного насоса.

2.4. Расчетно-экспериментальное исследование параметров проточной части осевого насоса.

3. Прогнозирование кавитационных характеристик шнеко-центробежных насосов.

3.1. Методика расчета частных кавитационных характеристик предвключенного колеса осевого типа.

3.2. Расчетное определение кавитационных характеристик шнеко-центробежного насоса.

4. Методы проектирования элементов шнеко-центробежных насосов с использованием двухмерных и трехмерных моделей расчета течения.

4.1. Проектирование осевого предвключенного колеса.

4.2. Проектирование направляющего аппарата лопаточного типа.

5. Проектирование шнеко-центробежного насоса на заданные параметры и сравнение результатов расчетных и экспериментальных исследований.

Актуальность темы. Центробежные насосы широко применяются на атомных и тепловых электростанциях, где насосное оборудование задействовано во всех основных технологических и вспомогательных системах: в схеме подачи питательной воды в парогенератор, в главном циркуляционном контуре, циркуляционной системе для охлаждения конденсаторов турбин, тракте основного конденсата и системе безопасности. В связи с развитием энергетики за последние 15+20 лет потребность в насосах для ТЭС и АЭС постоянно растет [58, 59].

Увеличение энергоемкости агрегатов приводит к необходимости повышения эффективности работы насосов в возможно более широком диапазоне подач. Помимо высокой эффективности насосы достаточно часто должны иметь и высокие антикавитационные качества, для достижения которых широко используют схему насоса с предвключенным колесом - осевым с переменным шагом (ПК) или осевым колесом с постоянным шагом - шнеком.

Разнообразие типов и параметров насосов требует сокращения сроков и повышения качества проектирования, что возможно с применением систем автоматизированного проектирования (САПР), в основе которых лежат математические модели для расчета течения, потерь и прогнозирования характеристик насосов. Применение математических моделей дает возможность вести процесс многовариантного проектирования с оценкой качеств элементов насоса и выбором оптимального варианта на стадии проектирования.

В настоящее время для оценки течения и потерь в лопастных системах насосов хорошо зарекомендовали себя квазитрехмерные методы, которые требуют небольшого времени на их реализацию по сравнению с трехмерными методами и которые дают удовлетворяющие практику результаты. На завершающем этапе проектирования и оценки энергокавитационных качеств насосов используют трехмерные методы. Требуется развитие методов проектирования элементов проточной части для шнеко-центробежных насосов и создание методики прогнозирования их кавитационных характеристик. В связи с изложенным разработка и совершенствование методов проектирования и расчета элементов проточных частей шнеко-центробежных насосов с применением методов математического моделирования является актуальной.

На рис. 1. приведен эскиз фрагмента проточной части многоступенчатого шнеко-центробежного насоса. Синим цветом изображены элементы ротора, красным - статора. Объектами исследования в настоящей работе являются пред включенное осевое колесо (ПК) и лопаточный направляющий аппарат (ЛНА).

РК рядовых ступеней водорез

РК первой ступени

Рис. 1. Эскиз фрагмента проточной части многоступенчатого шнекоцентробежного насоса

Цели и задачи работы. Целью работы являлось совершенствование методов проектирования элементов проточной части шнеко-центробежных насосов с повышенными энергокавитационными качествами и методов прогнозирования их энергокавитационных характеристик с использованием двухмерных и трехмерных моделей расчета.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

- провести анализ существующих методов проектирования предвключенных колес и шнеков и методов прогнозирования их кавитационных характеристик;

- разработать и апробировать методику прогнозирования кавитационных характеристик предвключенных осевых колес шнеко-центробежных насосов на основе двухмерных и трехмерных методов расчета бескавитационного течения;

- разработать и апробировать методику проектирования предвключенных колес с использованием двухмерных и трехмерных методов;

- провести расчетные исследования влияния параметров лопаточного направляющего аппарата на его гидравлические качества и дать рекомендации по их выбору.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решены на основе применения методов вычислительной гидродинамики и анализа экспериментальных данных.

Научная новизна. Разработана и апробирована методика прогнозирования частных кавитационных характеристик предвключенных колес осевого типа на основе анализа бескавитационного течения. Выявлены факторы, влияющие на степень развития кавитационных явлений в ПК, с учетом которых разработана методика проектирования ПК шнеко-центробежных насосов с высокими энергокавитационными качествами с использованием двухмерных и трехмерных методов.

Получены рекомендации по выбору параметров лопаточных направляющих аппаратов центробежных насосов низкой и средней быстроходности.

Практическая значимость работы. Разработанная методика проектирования предвключенных колес и апробированная методика оценки кавитационных качеств центробежных насосов включены в САПР центробежных насосов и использованы в ОАО «Пролетарский завод» при проектировании проточных частей ряда конденсатных электронасосных агрегатов: КЭНА 2245-220 и КЭНА 2000-100 для Нововоронежской АЭС-2 и Ленинградской АЭС-2, КЭНА 1250-250, КЭНА 440 - 200, КЭНА 125 - 55 и КЭНА 50 - 55 для Белоярской АЭС-2. Разработанные насосы отвечают современным техническим требованиям и имеют характеристики на уровне конденсатных насосов ведущих мировых производителей. При проектировании проточных частей указанных насосов были использованы разработанные автором рекомендации по выбору параметров лопаточных направляющих аппаратов.

Рекомендации по использованию. Результаты работы рекомендованы к использованию при проектировании проточных частей насосов с высокими антикавитационными и энергетическими качествами.

Достоверность результатов. Достоверность результатов теоретических исследований с использованием двух- и трехмерных методов подтверждена хорошей сходимостью с результатами экспериментов.

Личный вклад соискателя. В научных публикациях, которые раскрывают основные результаты работы, автору принадлежат:

- создание и апробация методики расчета кавитационных характеристик предвключенных осевых колес шнеко-центробежных насосов с использованием двухмерных и трехмерных гидродинамических методов, на основе анализа бескавитационного течения;

- создание методики проектирования предвключенных колес ступеней насосов, обладающих высокими энергокавитационными качествами, с использованием двухмерных и трехмерных методов;

- результаты расчетного исследования влияния параметров лопаточного направляющего аппарата на его гидравлические качества.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на конференциях: МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития". СПб, СПбГПУ, 2008; МНТК "ЕСОРиМР.1Ш'2008. Эффективность и экологичность насосного оборудования". М, 2008; 7-ая МНТК студентов и аспирантов "Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика". М, МГТУ им Баумана, 2008; 6-ая МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития". СПб, СПбГПУ, 2010; МНТК "ЕСОРиМР.1Ш'2010. Эффективность и экологичность насосного оборудования". М, 2010; 15-ая МНТК студентов и аспирантов "Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика". М, МГТУ им Баумана, 2011; XIII МНТК "ГЕРВИКОН-2011", Международный форум "НАСОСЫ-2011". СумГУ, г. Сумы, Украина, 2011; МНТК " Эффективность и экологичность насосного оборудования и инновационное оборудование и технологии в арматуростроении ". М, 2011.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ (в т.ч. 7 работ в журналах, рекомендованных ВАК).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка литературы из 81 наименования. Основное содержание работы изложено на 161 странице (включает 141 рисунок и 17 таблиц).

выход

Рис. 3.1.5. Развертка распределения давления в цилиндрическом сечении ПК при бескавитационном течении

Обозначим подачу предвключенного осевого колеса (2м при которой поток поступает в его лопастную систему безударно.

Многочисленные расчетные исследования пространственного течения вязкой жидкости в проточных частях предвключенных осевых колес показывают, что на режимах подач (?<0,9 ()м в периферийной части ПК возникает область противотока, которая увеличивается с уменьшением подачи.

По результатам экспериментальных исследований, проведенных во второй половине прошлого века, рядом авторов, зона противотока на входе в ПК определялась при (2<0,6 (2м Видимо, это связано с несовершенством экспериментальных методов, которые существовали в то время. На рис. 3.1.6 представлены поля осредненных в окружном направлении меридианных скоростей в проточной части ПК на различных режимах работы.

Из рис. 3.1.6 видно, что средние скорости активного потока на входе ПК практически не меняются при изменении подачи (Умср=5,5 м/с), т.е. активный поток поступает на лопасти ПК практически безударно.

Экспериментально установлено, что при развитии кавитации в ПК область противотока уменьшается вследствие загромождения проходного сечения кавитационными кавернами [73].

По результатам расчетов течения с использованием двухфазной модели кавитации в момент непосредственно перед полным срывом напора ПК область противотока отсутствует. На рис. 3.1.7 представлено распределение векторов меридианных скоростей жидкой фазы в ПК на режиме 0,5 Ом при различных значениях кавитационного запаса, а на рис. 3.1.8 приведена его расчетная, с использованием двухфазной модели кавитации АшуБ СБХ 12, частная кавитационная характеристика. Из представленных данных видно, что размеры области противотока жидкой фазы в меридианной плоскости ПК начинают уменьшаться при развитой кавитации в ПК. На рис. 3.1.9 представлены области кавитационных каверн в ПК при различных значениях кавитационного запаса. Из представленных данных следует, что с ростом областей кавитации в ПК область противотока постепенно уменьшается в окружном направлении.

При значении кавитационного запаса АЬ=1,7 м меридианные скорости в активном потоке перед входной кромкой лопасти достигают значений Ум~5 м/с, в то время как при АЬ=20,1+2,2 м меридианные скорости достигают значений Ум=6 м/с, чему соответствует удельная кинетическая энергия 1,83 м. Таким образом, когда значение кавитационного запаса приближается к величине соответствующей средней кинетической энергии активного потока при бескавитационном обтекании перед ПК меридианные скорости активного потока начинают уменьшаться. Для выполнения этого условия при фиксированной подаче ПК, конечно, должен быть запас по наличию противотока в проточной части.

Многочисленные расчеты различных ПК показали, что на режимах работы ПК О<0,5-Ом при значениях кавитационного запаса соответствующих средней величине удельной кинетической энергии активного потока при бескавитационном обтекании в них еще остается запас по наличию противотока. На режимах работы ПК (£>0,5£?л/в зависимости от качества ПК область противотока пропадает до момента равенства кавитационного запаса и средней величины удельной кинетической энергии активного потока при бескавитационном обтекании. Поэтому происходит полный срыв напора ПК.

Для разрабатываемой методики прогнозирования частной кавитационной характеристики ПК можно принять, что на режимах малых подач, увеличение относительных скоростей происходит при условии РК1>ЕЛ, где /<я - площадь занятая противотоком, которую по данным [73] и результатам расчетов можно принять равной =^-(1--^-). ум

Момент полного срыва напора ПК будет определяться условиями и

V2

А/г = м~ср . Для режимов работы 0<0,5()м полное падение напора будет 2-Я происходить несколько позже, однако, работа ПК при этом будет неустойчивой. т, м/с т, м/с

Ут, м/с

Ут, м/с т, м/с

Ом

0,8 Ом

0,6 Цм

0,4 Ом

0,2 Ом

Рис. 3.1.6. Поля меридианных скоростей, осредненных в окружном направлении на различных режимах работы ПК

Рис. 3.1.7. Распределение меридианных скоростей в ПК при различных значениях кавитационного запаса н,%

Рис. 3.1.8. Расчетная частная кавитационная характеристика ПК на режиме 0,5 (2м

ДЬ= 20,12 м

АЬ=2,23 м

АЬ= 1,72 м

АЬ=4,79 ал

Рис. 3.1.9. Области кавитационных каверн в ПК при различных значениях кавитационного запаса АН на режиме работы 0,5 2м

Кавитационные качества насосов определяются по результатам проведения кавитационных испытаний. Согласно [1] одним из способов определения кавитационных качеств насосов является снятие частных кавитационных характеристик. Т.е. на фиксированных режимах работы постепенно понижается давление на входе в насос, тем самым уменьшается величина кавитационного запаса. На начальной стадии следствием кавитации может быть как уменьшение так и увеличение параметров Я и т/. Экспериментальным путем установлено, возможное повышение напора и КПД лежит в пределах Н2%, при дальнейшем уменьшении кавитационного запаса происходит резкое снижение этих параметров. Как правило, инженера-расчетчика интересует момент падения напора на 3% от значения, соответствующего бескавитационной работе насоса.

Предлагается инженерный метод (далее по тексту "ГМ") прогнозирования кавитационных характеристик предвключенных колес шнеко-центробежных насосов, в основу которого заложена методика [70], разработанная и используемая для определения кавитационных качеств гидравлических турбин. Только вместо исходных эпюр давления при бескавитационном обтекании лопастей будут использоваться модифицированные эпюры давления определенные с учетом увеличения относительных скоростей в каналах ПК.

Применение данного подхода позволит значительно сократить время определения частных кавитационных характеристик предвключенных колес шнеко-центробежных насосов.

Суть методики состоит в следующем. Запишем выражение для гидравлического КПД ПК насоса: р-Я-б-Я

V г=

0'М2 где Мг - крутящий момент относительно оси вращения рабочего колеса, со - угловая частота вращения РК, () - подача ПК, Я - напор ПК, р - плотность перекачиваемой жидкости.

Из представленной формулы следует, что при уменьшении величины крутящего момента будет уменьшаться отношение —. Значение данного отношения чг может уменьшаться за счет понижения величины напора или за счет одновременного понижения напора и гидравлического КПД, но при этом интенсивность падения Н должна быть больше интенсивности снижения г]Г.

Величина момента М2 определяется по формуле: где Ар - перепад давлений на элементарной меридиональной проекции площадки поверхности лопасти.

Из представленной формулы видно, что за счет перераспределения давлений величина момента М2 будет меняться.

В рамках указанных допущений можно по изложенной выше методике построить характеристику

Зависимость снижения Н при уменьшении АЛ будет повторять зависимость А/г) только в случае (//=сот!). Если реальный гидравлический КПД ПК при воздействии кавитации будет уменьшаться, то срыв напора будет более интенсивный, чем падение величины Мх. Анализ изменения КПД ПК при его работе в условиях кавитации будет дан ниже.

Для определения момента, действующего на лопасть РК целесообразно строить эпюру давлений в зависимости от меридианной длины линии сечения. При этом необходимо знать зависимость изменения радиуса от меридианной длины линии сечения.

В данном разделе представлены результаты выполненных расчетных исследований гидравлических и антикавитационных качеств проточной части нефтяного подпорного вертикального насоса типа НПВ 5000 - 120. Насос -центробежный, вертикальный, одноступенчатый с рабочим колесом двустороннего входа, с предвключенными колесами и двухзавитковым спиральным отводом (рис. 3.2.1).

Геометрия элементов насоса была предоставлена ЗАО "Энергомаш (Сысерть) -Уралгидромаш".

3.2. Расчетиое определение кавитационных характеристик шнеко-центробежного насоса

Для оценки гидравлических качеств исследуемой проточной части была построена ее расчетная модель, включающая в себя две области: ротор и статор (рис. 3.2.2).

Рис. 3.2.1. Общий вид НПВ 5000 - 120

С использованием построенной расчетной модели, в ядре потока создавались неструктурированные расчётные сетки на основе тетраэдальных элементов. Сетки строились со сгущением элементов у входных и выходных кромок РК и на поверхности интерфейса. Вблизи твердых стенок для описания течения в пограничном слое были созданы слои призматических элементов. Общее количество элементов расчетной сетки составило около 7 млн.

Рис. 3.2.2. Расчетная модель проточной части НПВ 5000 - 120

Расчёт выполнялся в квазистационарной постановке. Параметры потока на поверхности сопряжения областей ротора и статора передавались через поверхность-интерфейс типа «frozen rotor», т.е. в процессе расчета роторный элемент проточной части полагается зафиксированным в определенном угловом положении относительно статорного элемента. Осреднение на поверхности интерфейса не выполняется, что позволяет моделировать воздействие следа от лопасти РК на течение в спиральном отводе. При расчете были заданы следующие граничные условия: на входе в ПК - полное давление (Рвх= 1 атм); на выходе спирального отвода о

- расход, соответствующий расчетному режиму (Qp = 5000 м /ч). Также задавалась частота вращения ротора (п = 1480 об/мин).

Для замыкания уравнений Навье-Стокса, осреднённых по Рейнольдсу, использовалась к-е модель турбулентности. Во всей области задавалась постоянная плотность среды. Расчет выполнялся с использованием программного комплекса ANSYS CFX 12. В процессе проведения расчёта контролировались не только среднеквадратичные и максимальные значения невязок, но также и целевые

Рис. 3.2.3. Распределение параметра Г+ по стенкам проточной части параметры - моменты на поверхностях области ротора, взаимодействующих с потоком, напор и гидравлические потери в элементах проточной части. Расчет проводился до прекращения существенных изменений каждого из параметров и достижения значений среднеквадратичных невязок до 10"4.

На рис. 3.2.3. представлены результаты расчета распределения безразмерного параметра Г+ по стенкам проточной части. Полученное распределение У+ подтверждает правильность выбора параметров расчетной сетки (7+ < 100 для высокорейнольдсовой модели с масштабируемыми функциями стенки).

Ур1ив Сог^оиг 1

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

На рис. 3.2.4 представлены результаты расчетного построения пространственных линий тока в проточной части, из которого видно, что поток выходит из проточной части насоса с незначительной остаточной закруткой, а на рис. 3.2.5 результаты расчета поля полного давления в осевом сечении проточной части. Расчет распределения полного давления показал, что наиболее вероятно возникновение кавитационных явлений в проточных частях ПК и РК. Проточная часть отвода может быть исключена из расчетной области. е1осКу 51геат1|пе 1 г 50.0

40 0

- 30.0

20.0 10 о

0.0 [т вМ]

Рис. 3.2.4. Пространственные линии тока в проточной части

По результатам расчета, напор, развиваемый ПК и РК составил [{ПК+Р[С=\2% м, гидравлический КПД ПК и РК Цпк+р/с=90,5%, потери в отводе

АНсо=8,1 м.

Таким образом, расчетный напор насоса составил Н=119,9 м, а гидравлический КПД проточной части:

Лнт

Л г = V пк+рк ~ --г5-= 84,8%. пк+рк ' л пк+рк

Следует отметить, что расчетные значения напора насоса и гидравлического КПД несколько занижены из-за значительных размеров элементов сетки.

Total Pressure in Stn Frame Plañe 1 r-T 1500000.0

1200000.0

900000.0

- 600000.0

Ш- 300000 o

0.0

Pa] / / ' ' ' . j t r r * . * ~ -ч ■

• •' i •

1 000 (m)

0.250 0750

Рис. 3.2.5. Поле полного давления в осевом сечении проточной части

Для оценки кавитационных качеств насоса достаточно рассмотреть течение в ПК и РК, что позволит рассчитывать течение в пределах одного межлопастного канала для каждого из элементов проточной части.

Таким образом, расчетная область ПК уменьшилась в 4 раза, расчетная область РК - в 14 раз. Область отвода при численной оценке кавитационных качеств проточной части не рассматривалась. В качестве условия принят выход потока из РК в безлопаточный диффузор (БЛД). Эти допущения позволили улучшить качество расчетной сетки в ПК и РК за счет увеличения количества элементов. Параметры потока на поверхности сопряжения ПК и РК передавались через поверхностьинтерфейс типа «stage» (т.е. проводилось осреднение параметров по окружному направлению).

Расчетная модель представлена на рис. 3.1.6.

Рис. 3.2.6. Расчетная модель для оценки кавитационных качеств

Оценка кавитационных качеств проточной части насоса выполнялась с помощью расчета течения с использованием двухфазной модели кавитации в Ашув СБХ 12. Полученные расчетом частные кавитационные характеристики сопоставлялись с результатами кавитационных испытаний насоса, предоставленными ЗАО "Энергомаш (Сысерть) - Уралгидромаш".

Для предвключенного осевого колеса, также были рассчитаны частные кавитационные характеристики по разработанной методике.

Для выполнения обоих подходов был выполнен предварительный расчет течения в проточной части ПК и РК, результаты которого использовались для оценки по разработанной методике и в качестве начального приближения для расчета с двухфазной моделью кавитации. Граничные условия идентичны условиям расчета всей проточной части насоса (полное давление на входе (Рвх = 1 атм); на выходе БЛД

-расход, соответствующий расчетному режиму ((2=5000 м3/ч), частота вращения «=1480 об/мин.

Заключение

1. Разработана и апробирована методика прогнозирования частных кавитационных характеристик предвключенных колес осевого типа на основе анализа бескавитационного течения. Выявлены факторы, влияющие на степень развития кавитационных явлений в ПК.

2. С учетом результатов расчетных исследований разработана методика проектирования ПК шнеко-центробежных насосов с высокими энергокавитационными качествами с использованием двухмерных и трехмерных методов

3. Проведены расчетные исследования влияния геометрических параметров лопаточных направляющих аппаратов на гидравлические качества ступени насоса, на основании которых, выданы рекомендации по выбору их оптимальных параметров для ступеней насосов с коэффициентом быстроходности «5=110+130.

4. Результаты расчетных исследований нашли хорошее подтверждение в полученных экспериментальных данных

5. Разработанные методики проектирования предвключенных колес и оценки их энергетических и кавитационных качеств, а также рекомендации по проектированию ЛНА использованы в ОАО «Пролетарский завод» при проектировании проточных частей ряда конденсатных электронасосных агрегатов: КЭНА 2245-220 и КЭНА 2000-100 для Нововоронежской АЭС-2, КЭНА 1250-250, КЭНА 1050 - 100, КЭНА 440 - 200, КЭНА 125 - 55 и КЭНА 50 - 55 для Белоярской АЭС-2.

Разработанные насосы отвечают современным техническим требованиям и имеют характеристики на уровне конденсатных насосов ведущих мировых производителей. При проектировании проточных частей указанных насосов были использованы разработанные автором рекомендации по выбору параметров лопаточных направляющих аппаратов.

1. ГОСТ 6134-2007. Насосы динамические. Методы испытаний. -Взамен ГОСТ 6134-87; введ. с 1.06.2008. -М.:Стандартинформ, 2008. -94 с.

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

3. Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. Расчетное исследование потерь в направляющих аппаратах канального и решеточного типов // Насосы и оборудование № 4-5, 2011. -с. 96-98

4. Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В., Расчетное определение кавитационных характеристик центробежных насосов // Известия Самарского научного центра российской академии наук. Том 13, номер 1(2), 2011. -с. 411 414

5. Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. Расчетно-экспериментальное исследование течения в рабочем колесе питательного насоса // Насосы и оборудование №1(66), 2011. -с. 44-48

6. Анкудинов A.A., Расчет и проектирование предвключенной осевихревой ступени центробежного насоса: Учебное пособие. 2-е изд., стереотип. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. - 64 с.

7. Атлас экспериментальных характеристик плоских турбинных решеток / Г.Ю. Степанов, В.А. Эпштейн, В.В. Гольцев и др.; Институт им. П.И. Баранова. -Москва, 1964. -136 с.

8. П.Богун B.C. Способы повышения экономичности и ресурса питательных насосов для ТЭС с энергоблоками мощностью 250-Н200 МВт // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.- СПбГПУ- СПб, 2011. -196 с.

9. Богун B.C., Жарковский A.A., Пугачёв П.В., Шумилин С.А. Изменение напора центробежного рабочего колеса путём запиловки выходных кромок лопастей // Компрессорная техника и пневматика -№3,2010. -с. 36-40

10. Богун B.C., Пугачев П.В. Шумилин С.А. Улучшение кавитационных показателей циркуляционных насосов производства ОАО "Пролетарский завод"// Морской вестник №1 (21), 2007. -с. 36-37

11. Боровский Б.И. Энергетические параметры и характеристики высокооборотных лопастных насосов. М. Машиностроение, 1989. -182 с.

12. Борщев И.О. Разработка метода расчета и исследование лопаточных отводов центробежных насосов. Дисс. к.т.н. Л.: ЛПИ, 1989. - 154 с.

13. Борщев И.О., Жарковский A.A., Плешанов В.Л., Шкарбуль С.Н. Влияние некоторых элементов лопаточных отводов на характеристики центробежных насосов и характер донных линий тока. Труды ЛПИ № 420,1986. -с. 39-43

14. Борщев И.О., Жарковский A.A., Шкарбуль С.Н. Постановка задачи о расчете трехмерного потенциального течения в направляющем аппарате. Рук. деп. ЦНИИ ТЭИтяжмаш № 405 Э.М., 1988. -с.87-122

15. Бухарин H.H., Распутнис А.И. Исследование канально-лопаточных диффузоров центробежных компрессоров // Энергомашиностроение №8, 1965. -с. 1-5

16. Волков A.B., Разработка метода проектирования эффективных рабочих колес гидромашин на основе комбинации одномерной обратной и трехмерной прямой гидродинамических задач, автореферат диссертации к.т.н. / МЭИ. М., 1991. -20 с.

17. Волков A.B., Панкратов С.Н., Поморцев М.Ю. Гидродинамический анализ работы энергетических насосов на примере расчета бустерного насоса // Электронный журнал «Новое в российской электроэнергетике» № 1,2003 -с. 27-33

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

19. Галеркин Ю.Б., Боровков А.И., Воинов И.Б. Результаты расчёта вязкого потока в неподвижных элементах центробежных компрессорных ступеней с помощью программной системы ANSYS/CFX / Компрессорная техника и пневматика №2, 2007. -с. 10-16

20. Галеркин, Ю.Б., Прокофьев А.Ю. Опыт применения программ расчёта вязких пространственных течений. Компрессорная техника и пневматика, №5, 2003. -с. 12-18

21. Голиков В.А., Жарковский A.A., Климович В.И., Топаж Г.И. Программные комплексы для расчета течения и автоматизированного проектирования лопастных гидромашин // Труды СПбГПУ, Энергомашиностроение № 4,2010. -с. 124-127

22. Горгиджанян С.А. Гидравлические расчеты проточной части центробежных насосов JL: ЛПИ, 1982. 40с.

23. Давыдов И.В. Измерение скоростей и давлений в канале направляющего аппарата // Расчеты и исследования насосов М.:Машгиз (Труды ВИГМ), Вып. XXIV, 1959. -с. 62-77

24. Давыдов И.В. Исследование направляющих аппаратов центробежного насоса // Расчеты и исследования насосов. М.:Машгиз (Труды ВИГМ), Вып. XXII, 1958.-с. 49-71

25. Дворцова Ю.В., Жарковский A.A., Пугачёв П.В. Расчётно-экспериментальное исследование течения в рабочем колесе питательного насоса / Труды 6-й МНТК «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», СПб, 2010. -с. 45-47.

26. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. Л., "Машиностроение", 1973. -272 с.

27. Жарковский A.A. Математическое моделирование рабочих процессов в центробежных насосах низкой и средней быстроходности для решения задачавтоматизированного проектирования.// Диссертация на соискание ученой степени д.т.н.- СПбГПУ- СПб, 2003. 568 с.

28. Жарковский A.A., Алексенский В.А., Пугачев П.В. Расчетное исследование течения и потерь в насосе ЦНС 63-1400 / Тезисы МНТК «Гервикон-2011», Международный форум «Насосы-2011», семинар «Экон-11», СумГУ, г. Сумы, Украина, 2011.-8 с.

29. Жарковский A.A., Грачев A.B., Шумилин С.А. Математические модели рабочих процессов гидромашин. Расчет течения и прогнозных характеристик многоступенчатого центробежного насоса с использованием САПР лопастных систем// Издательство СПбГПУ, 2007. -64с.

30. Жарковский A.A., Грянко Л.П., Плешанов B.JI. Автоматизированное проектирование рабочего колеса центробежного насоса: Учебное пособие. -JL: ЛГТУ, 1990. -53 с.

31. Жарковский A.A., Куриков H.H., Пугачев П.В., Шабров H.H. Компьютерное исследование и визуализация течения в центробежных насосах // Научно-технические ведомости СПбГПУ, Информатика №103,2010. -с. 119-123

32. Жарковский A.A., Поспелов А.Ю. Моделирование вязкого течения в центробежных рабочих колесах// Компрессорная техника и пневматика №4, 2011. -с. 18-24

33. Жарковский A.A., Поспелов А.Ю., Пугачев П.В. Расчетное исследование течения и потерь в прямых и круговых решетках // Компрессорная техника и пневматика № 6,2011. -с. 32-35.

34. Жарковский A.A., Поспелов А.Ю., Пугачев П.В. Расчет течения вязкой жидкости в неподвижных и вращающихся решетках/ Тезисы МНТК «Гервикон-2011», Международный форум «Насосы-2011», семинар «Экон-11», СумГУ, г. Сумы, Украина, 2011.-10 с.

35. Жарковский A.A., Шкарбуль С.Н., Борщев И.О. Исследование течения в направляющем аппарате канального типа М.: МЭИ Сб. науч. тр. № 98, 1986. -С.68-74.

36. Жарковский A.A., Шумилин С.А., Морозов М.П. Математические модели рабочих процессов лопастных гидромашин. Автоматизированное проектирование и оценка энергокавитационных показателей лопастных систем// Издательство СПбГПУ, 2002. 47с.

37. Патент № 2448278 на изобретение. Лопасть рабочего колеса центробежного насоса. Богун B.C., Жарковский A.A., Пугачев П.В., Шумилин С.А. Приоритет с 12.04.2010.

38. Зимницкий В.А. Методика расчета и исследование элементов проточной части питательного насоса с повышенными кавитационными качествами, автореферат диссертации, ЛПИ им. М.И. Калинина, JL, 1969. 16 с.

39. Зимницкий В.А., Каплун A.B. Папир А.Н., Умов В.А. Лопастные насосы. // Справочник под ред. В.А. Зимницкого и В.А. Умова. Л.: Машиностроение, 1986. - 334 с.

40. Зотов Б.Н, О методике расчета напорных характеристик осевихревого насоса: Труды международной научно-технической конференции 4-6 июня 2003 г., СПбГПУ, СПб, 2003. -с. 103-106

41. Зотов Б.Н., Расчет характеристик осевихревого насоса: Труды IV МНТК СПбГПУ, СПб, 2006. -с. 32-37

42. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров: Пер. с англ. М.: Мир, 2000.688 с.

43. Карелин В.Я., Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах -М.: Машиностроение, 1975. -336 с.

44. Климович В.И., Квазитрехмерная и осесимметричная задачи теории гидромашин и некоторые их приложения для исследования течений в проточных частях гидроагрегатов, автореферат диссертации, СПбГТУ, СПб, 1993. -41с.

45. Климович В.И. Расчет течений в проточной части насос-турбин на основе решения прямой осесимметричной задачи теории гидромашин// Издательство АН СССР, сер.МЖГ №4, 1988. -с. 12-19.

46. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов.- 7-е изд., испр. М.: Дрофа, 2003. -840 с.

47. Ломакин A.A. Центробежные и осевые насосы. -М.: Машиностроение, 1966.-364 с

48. Луговая С.О. Гидродинамические особенности проектирования сменных проточных частей при создании унифицированного ряда центробежных насосов. Автореф. дис. к.т.н. / СумДУ. Сумы, 2009. -20 с.

49. Луговая С.О., Прогнозирование характеристики ступени со сменной проточной частью, "Вюник СумДУ. Сер1я техшчш науки" №1,2009. -12 с.

50. Луговая С.О., Ольштынский П.Л., Руденко A.A., Твердохлеб И.Б., К вопросу проектирования направляющего аппарата промежуточной ступени центробежного насоса; СумГУ, г. Сумы, Украина XIII МНТК "ГЕРВИКОН-2011" 2011.-10 с.

51. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. -М.: Машиностроение, 1977. -288 с.

52. Моисеева Л.Н., Будняцкий Д.М. Современные тенденции развития теплоэнергетики и совершенствования энергооборудования для ТЭС в крупнейших зарубежных индустриальных странах// Труды "ЦКТИ" вып.285,2002. -с. 52-59

53. Пак П.Н., Белоусов А.Я., Пак С.П. Насосное оборудование атомных станций. Под общей редакцией П.Н. Пака. М.: Энергоатомиздат, 2003. - 450 с.

54. Перельман Р.Т., Поликовский В.И., О профилировании осевого преднасоса с оптимальными антикавитационными данными, Изв. АН СССР, "Энергетика и транспорт" №3,1963.-450 с.

55. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М. 1960. -686 с.

56. Расчетно-теоретические исследования характеристик насосов с малым коэффициентом быстроходности, Волков A.A., Жарковский A.A., Парынин А.Г.,

57. Пугачев П. В., Хованов Г. П. // Новое в российской электроэнергетике. Ежемесячный электронный журнал №2,2010. -с. 36-44

58. Раухман Б.С. Расчет обтекания несжимаемой жидкостью решетки профилей на осесимметричной поверхности тока в слое переменной толщины// Механика жидкостей и газа№ 1,1971.-е. 83-89

59. Рис. В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Л. "Машиностроение", 1981.-351 с.

60. Рубинов В .Я., Покровский Б.В. Трубчатые направляющие аппараты для центробежных насосов // Химическое и нефтяное машиностроение № 6,1974. -с. б-т-8

61. Руднев С.С., Матвеев И.С. Методическое пособие по курсовому проектированию лопастных насосов. М.: МВТУ, 1974. -72 с

62. Румахеранг В.М., Топаж Г.И. Расчет кавитационного обтекания рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины // Известия Самарского научного центра российской академии наук. Том 13, номер 1(2), 2011 г. -с. 472 475 .

63. Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. М.: Физматиздат, 1965.-512 с.

64. Топаж Г.И., Расчет интегральных гидравлических показателей гидромашин. Л. .Издательство ЛГУ, 1998. -200 с.

65. Федоров A.B., Струментова Н.С, Шумилин С.А. Автоматизированное проектирование лопастных систем рабочих колес насос-турбин на напоры 90-ь150 м // Труды "ЦКТИ" вып. 244, 1988. -с. 28-35

66. Циммерман С.Д., Анкудинов A.A., Васин В.А. Основные направления развития гидромашиностроения на Калужском турбинном заводе. // Вестник ЮУрГУ.Серия "Машиностроение". Выпуск 6. - № 1,2006. - с. 58-64.

67. Чебаевский В. Ф., Петров В. И. Кавитационные характеристики высокооборотных шнеко-центробежных насосов. -М. Машиностроение, 1973. -152 с.-j-' fieij

68. Щербатенко И.В. Разработка теории и методов расчета шнековых рабочих колес лопастных насосов с учетом теплофизических свойств жидкости, автореферат диссертации д.т.н. -М, 2001.-30 с.

69. Eisenberg P., Cavitation. In Handbook of Fluid Mechanics. McGraw Hill, 1961. -P. 4-5

70. Launder В. E., Spalding D. B. The Numerical Computation of Turbulent Flows //Сотр. Meth. Appl. Mech. Eng., 1974.-P. 269-289.

71. Menter F. R., Esch T. Advanced Turbulence Modelling in CFX // CFX Update -Spring 2001.-P. 4-5

72. Nellyana GONZALO FLORES, Julien ROLLAND, Eric GONCALVES, Regiane FORTES PATELLA, Claude REBATTET, Head drop of spatial turbopump inducer // Sixth International Symposium on Cavitation CAV2006, Wageningen, The Netherlands, September 2006. -P. 44-53

73. Reboud JL., Pouffary В., Coutier-Delgosha O., Fortes Patella R., Numerical simulation of unsteady cavitating flows: some applications and open problems. Fifth International symposium on Cavitation (CAV2003)// Osaka, Japan, November 1-4,2003.

74. Zwart Philip J., Andrew G. Gerber, Thabet Belamri A Two-Phase Flow Model for Predicting Cavitation Dynamics, ICMF 2004 International Conference on Multiphase Flow // Yokohama, Japan, May 30-June 3,2004. -P. 21-32