автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Совершенствование методики расчета вязкого течения и проектирования насосов низкой быстроходности

На правах рукописи

Ли—

Алексенский Вадим Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ВЯЗКОГО ТЕЧЕНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ НАСОСОВ НИЗКОЙ БЫСТРОХОДНОСТИ

Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 НОЯ 2012

Санкт-Петербург - 2012

005054385

005054385

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» Научный руководитель:

Жарковский Александр Аркадьевич, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», заведующий кафедрой «Гидромашиностроение» Официальные оппоненты:

Волков Александр Викторович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ", профессор кафедры «Промышленные теплоэнергетические системы»

Кожухов Юрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», доцент кафедры «Компрессорная, вакуумная и холодильная техника»

Ведущая организация:

ОАО «ЦКБМ», г. Санкт-Петербург

Защита состоится «27» ноября 2012 г. в 16 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 «—? » октября 2012г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.09 доктор технических наук, профессор

Хрусталев Б.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в системах поддержки пластового давления находят широкое применение многоступенчатые секционные центробежные насосы (ЦНС), многие из которых имеют низкую быстроходность. При этом многие из находящихся в эксплуатации агрегатов требуют замены или модификации, т.к. не обладают достаточной эффективностью. Таким образом, актуальным является вопрос модернизации проточных частей насосов ЦНС низкой быстроходности. В связи с этим необходимо уточнение и развитие методов выбора оптимальных конструктивных параметров проточной части, в том числе на основе численных методов. На настоящий момент данные вопросы проработаны недостаточно. Результаты и зависимости, полученные при проектировании многоступенчатых насосов ЦНС низкой быстроходности, могут быть использованы для центробежных насосов других конструкций. В работе также рассматривается вопрос использования перерасширенных отводов спирального типа для ряда проточных частей консольно-моноблочных насосов с минимально возможным числом отводящих устройств.

Цель и задачи работы. Целью работы является совершенствование методики расчета течения вязкой жидкости и прогнозирования энергетических характеристик, а также методики проектирования центробежных насосов низкой быстроходности. Для достижения данной цели были поставлены следующие основные задачи:

- выбор параметров математической модели для расчёта течения вязкой жидкости и прогнозирования характеристик ступеней насосов низкой быстроходности. Апробировать методику с использованием имеющихся экспериментальных данных.

- разработка проточной часть ступени насоса ЦНС 63-1400, обладающей повышенными гидравлическими качествами, с использованием двумерных методов, заложенных в программный комплекс «САПР ЦН» кафедры гидромашиностроения («ГМ») СПбГПУ.

- исследование влияния параметров рабочего колеса и направляющего аппарата на гидравлические качества ступени низкой быстроходности на базе насоса ЦНС 63-1400 с использованием трехмерных методов расчета течения и потерь. Нахождение способов повышения КПД ступени.

- разработка оптимального варианта ступени насоса ЦНС 63-1400 с использованием результатов проведенных численных исследований.

- численное исследование возможности создания 6 насосов типа КМ с минимально возможным числом отводящих устройств спирального типа.

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

Научная новизна. Выполнено систематическое исследование влияния постановки трёхмерного численного моделирования на результаты расчета течения вязкой жидкости и прогнозирования интегральных параметров в ступенях центробежных насосов низкой быстроходности. Получены параметры математической модели, обеспечивающие высокую точность определения энергетических характеристик.

Отработана усовершенствованная методика проектирования ступеней центробежных насосов низкой быстроходности, основанная на совместном использовании двумерных моделей, заложенных в комплекс «САПР ЦН», и моделей расчёта трёхмерного вязкого течения.

Проведены расчётно-теоретические исследования влияния на энергетические показатели ступени относительной ширины, числа лопастей, угла выхода из рабочего колеса и скорости на входе в каналы направляющего аппарата для проточной части с коэффициентом быстроходности П5=40 с использованием трехмерных методов расчета течения и потерь.

Определена величина повышения напора насосов низкой быстроходности за счет применения 2-х ярусных решеток лопастей, запиловки лопастей рабочего колеса, чистоты обработки обтекаемых поверхностей проточной части.

Численно показана возможность при создании ряда консольных насосов использования перерасширенных отводов с целью минимизации их числа.

Уточнена математическая модель расчёта потерь в двумерном подходе для насосов со спиральными отводами, что позволило улучшить сходимость расчётных и экспериментальных энергетических характеристик насосов.

Практическая значимость работы. Спроектирован вариант ступени насоса ЦНС 631400, обладающий повышенными гидравлическими качествами по сравнению с серийным вариантом. Даны рекомендации по выбору значений коэффициента расхода и напора для насосов низкой быстроходности с П5=40, а также геометрических параметров их проточных частей. Спроектирован ряд проточных частей консольно-моноблочных насосов на различные напоры с перерасширенными отводящими устройствами, которые использованы предприятием-заказчиком в выпускаемой продукции. В комплекс автоматизированного проектирования центробежных насосов «САПР ЦН» включена уточнённая математическая модель расчета потерь в насосах со спиральными отводами. Результаты работы находят применение при расчёте и проектировании проточных частей центробежных насосов на кафедре гидромашиностроения СПбГПУ, а также используются в учебном процессе.

Рекомендации по использованию. Результаты работы могут быть использованы при разработке проточных частей насосов типа ЦНС и консольных насосов низкой быстроходности, для проектирования центробежных насосов других типов, а также в учебном процессе.

Достоверность результатов. Достоверность результатов теоретических исследований течения с помощью двумерных и трехмерных методов подтверждена сравнением с результатами экспериментов.

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

- уточнение параметров математической модели для расчета течения вязкой жидкости в ступенях центробежных насосов низкой быстроходности и апробация расчетной методики;

4

- расчётные исследования влияния геометрических параметров рабочих колёс и направляющих аппаратов на характеристики ступеней центробежных насосов низкой быстроходности с использованием методов расчета трехмерного вязкого течения;

- численное исследование возможности применения в консольных насосах перерасширенных отводов для минимизации их числа.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на конференциях: ВНПК «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты», 2010, ДагГТУ, Махачкала; 14-ая МНТК студентов и аспирантов "Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика", Москва, МЭИ, 2010; МНПК «XXXIX Неделя науки СПбГПУ», СПб, СПбГПУ, 2010; 13-ая МНТК "ГЕРВИКОН-2011", Международный форум "НАСОСЫ-2011", СумГУ, г. Сумы, Украина, 2011; МНПК «ХХХЬ Неделя науки СПбГПУ», СПб, СПбГПУ, 2011; 15-ая МНТК студентов и аспирантов "Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика", Москва, МГТУ им Баумана, 2011; МНТК «ЕСОРиМР 2011 ШЫОУАЬУЕ», Москва, 2011; МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития", СПб, СПбГПУ, 2012.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных работ (в т.ч. 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 94 наименований. Основное содержание работы изложено на 160 страницах (включает 114 рисунков и 16 таблиц).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполнения работы по совершенствованию и уточнению методов проектирования проточных частей центробежных насосов низкой быстроходности, а также методов расчёта течения жидкости в их проточных частях.

В первой главе представлен обзор состояния проблем, связанных с проектированием центробежных насосов. Дано описание основных используемых программных комплексов, в т.ч. комплекса «САПР ЦН», разработанного на кафедре «ГМ» СПбГПУ.

Выполнен обзор существующих методов расчёта течения жидкости в проточных частях центробежных насосов. Рассмотрены как подходы, основанные на разбиении трёхмерного потока на два двумерных, так и подходы, основанные на решении уравнений пространственного вязкого потока. Сделан вывод, что вопросы проектирования центробежных насосов низкой быстроходности в существующих исследованиях разработаны недостаточно.

Дано описание объектов исследования: многоступенчатого секционного насоса ЦНС 63-1400 с п5=40, применяемого в системах поддержания пластового давления, и ряда насосов консольно-моноблочного типа. Сформулированы цели работы и задачи, поставленные для их достижения.

Во второй главе с использованием программного комплекса Апвув СИХ выполнено исследование влияния параметров расчётной модели на результаты моделирования трёхмерно-

5

го вязкого течения в проточной части центробежного насоса низкой быстроходности на базе проточной части насоса ЦНС 63-1400.

Приведен процесс построения геометрической модели и расчётных сеток неструктурированного и структурированного типа. Для сетки неструктурированного типа проведено исследование сеточной независимости решения показавшее, что достаточная размерность сетки в одной области проточной части - 2 млн. элементов. Сравнение результатов расчётов, выполненных с использованием структурированной и неструктурированной сеток, показало, что при достаточной густоте сетки допустимо использование неструктурированных сеток, т.к. разница в результатах вычислений при этом не является значительной (менее 1%).

Проведено сравнение результатов расчёта течения и интегральных характеристик насоса с использованием различных моделей турбулентности (рис. 1). Были исследованы к-е, к-е, к- со, БЗТ - модели турбулентности. Лучшее соответствие на номинальном и форсированном режиме показала к-е - модель, на режиме пониженных подач 8ЯТ - модель. При проведении дальнейших исследований использовалась к-е - модель.

н. м

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 о

:

— к-е

— RNG к-е

— SST

60 а)

70 Q, м /час

70 Q. м'/час

Рис. 1. Влияние модели турбулентности на расчетные характеристики насоса

Сравнение результатов расчета по схемам с 2 и 3 ступенями исследуемого насоса, показало малое влияние 3-ей ступени на результат расчёта течения и характеристик при росте требуемых вычислительных ресурсов в 1,5 раза.

Расчёты течения в рабочем колесе, выполненные по упрощенной схеме в ступени в составе рабочее колесо (РК) и безлопаточный диффузор (БЛД), и в ступени в составе РК и отвод канального типа показали, что при расчете по упрощенной схеме некорректно моделируется течение на выходном участке РК. Результаты расчетов по упрощенной схеме можно использовать в качестве предварительных при исследовании влияния параметров РК на его характеристики.

Сопряжение вращающихся и неподвижных расчетных областей может быть выполнено с осреднением параметров по окружному направлению (stage) и без него (frozen rotor). По

результатам выполненных расчетов для многоступенчатых насосов рекомендован вариант с осреднением параметров по окружности. При расчёте без осреднения возникает значительная неравномерность течения во всей расчётной области и значительное расхождение с экспериментальными данными. Была выбрана схема, включающая в себя две ступени насоса, расчёт проводился с условием периодичности.

Показано, что оценка сходимости итерационного процесса по принятому критерию величины среднеквадратичных невязок г(к)<10~4 позволяет получать достаточную сходимость по интегральным параметрам. Изменение локальных параметров прекращается при достижении г(к)<10"5. Дана рекомендация по проведению учёта максимальных невязок и контроля целевых параметров (напора, потерь) в процессе расчёта.

Показано, что применение математической модели с разработанными параметрами, позволило достигнуть высокого уровня качественной и количественной сходимости расчётных и экспериментальных характеристик насосов низкой быстроходности.

В главе 3 выполнен анализ характеристик исходного варианта проточной части насоса ЦНС 63-1400 (рис. 2а). Анализ результатов визуализации течения (рис. 26) показал, что в межлопастном канале рабочего колеса имеются низкоэнергетические зоны. Зоны низких скоростей и возвратные течения имеют место и на выходе из направляющего аппарата.

щ 32.5 30.0 ® 27.5 25.0 щ 22 5 20.0 17.5 15.0 12.5 10.0 7.5 5.0 2.5 0.0

Н, М

1800

1600

1400

1200 —

1000 -

800

600 —

400 —

200

0 -30

40

Рис.

- Н (численное исследование)

Н (экспериментальное исследование)

- п (численное исследование

П (экспериментальное исследование)

-1-1-1-1—

О. м3/час

2. Расчётные и экспериментальные результаты исследования течения в проточной части насоса ЦНС 63-1400

Предложен вариант ступени с улучшенными гидравлическими качествами, спроектированный с использованием программного комплекса САПР ЦН кафедры «ГМ» СПбГПУ. РК имеет уменьшенный угол лопасти на выходе 02=20°, меньшую относительную ширину Ь2Ю2=0,031, число лопастей увеличено с 8 до 9. Использован отвод лопаточного типа с 10 цилиндрическими лопатками в направляющем аппарате и 10 цилиндрическими лопатками в ОНА. Зона перехода выполнена в виде безлопаточного тороидального участка.

Характеристики и структура потока ступени модифицированного варианта представлены на рис. 3. Модификация ступени позволила добиться уменьшения уровня гидравлических потерь. КПД повышен на 3,9 % на номинальном режиме. Визуализация течения показала устранение низкоэнергетической зоны в каналах рабочего колеса и направляющего аппарата.

Сравнение потерь в элементах проточной части в исходном и спроектированном вариантах показало (табл. 1), что увеличение КПД спроектированного варианта происходит в основном за счет уменьшения потерь в отводе.

Н. м 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 О

30

-*- Н (серийный вариант) • Н (вариант САПР ЦН) -•-Г1 (серийный вариант) п (вариант САПР ЦН)

- О О, м3/час

Рис. 3. Характеристика и картина течения в ступени ЦНС 63-1400, спроектированной с использованием САПР ЦН

Табл. 1

Гидравлические потери в элементах ступени

Вариант проточной части ДН, м А г|г, %

Исходный Модифицир. Исходный Модифицир.

Лопастная система РК 10 9,1 6,0 5,5

Зазор между РК и НА 14,4 10,8 8,7 7,1

НА 19,1 12,1 11,5 7,7

Зона поворота потока 2,1 1,7 1,3 1,1

ОНА 1,5 2,9 0,9 1,8

Ступень 47,1 36,7 28,4 23,2

Для дальнейшего повышения КПД было исследовано влияние отдельных параметров ступени на её гидравлические качества с использованием метода расчёта трёхмерного вязкого течения (30 метод).

Было спроектировано 7 РК с размером Ьг от 8 до 11 мм (Ь2Л1>2=0,027-0,037, для базового варианта САПР ЦН Ь2/02=0,031). Зависимость параметров РК от его ширины на напорной стороне представлена на рис. 4а. Оптимальное значение относительной ширины ЬгЯЗг = 0,034 сравнивается с рекомендациями других авторов, полученными на основе обра-

ботки экспериментальных данных (рис. 46). Полученный численно результат для п5=40 укладывается в рекомендуемый диапазон. Разброс рекомендаций объясняется тем, что экспериментальные данные были получены при разных сочетаниях параметров ступеней. Численный метод дает оптимальное значение для конкретных параметров и поэтому является более общим.

180 160 140 120 100 80 ео

40

20

.1

• н апор РК отери Б РК

• п

ДПрк."

9 ь2/и2

0.18

0.16

7

0.14

0.12

■ 5 0.1

4 0.08

3 0.06

2 0.04

1 0.02

0

і І І І I

— Горгиджанян

Михайлов-Малюшенко

Байбаков-Матвеев

институт гидромеханики г.Лозанна

* Исходный ■ 20-расчет

• ЗО-расчёт

0,035

а)

60

б)

120 П5

Рис.4. Зависимость потерь в РК и напора РК от его ширины (а) и сравнение с рекомендациями (б)

Для исследования влияния числа лопастей РК на его параметры проектировались одноярусные рабочие колёса с числом лопастей от 5 до 10. Также был спроектирован ряд РК с двухъярусной лопастной системой с числом лопастей на выходе РК г2=10, 12, 14, 16. На рис. 5 представлено сравнение расчётных параметров для РК с различным числом лопастей стандартной конструкции и двухъярусных РК с диаметром начала коротких лопастей 0,6502.

1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100

2.36

2.1. 2,82 3.75

1 86 2.34

1,5Л

/

1/1=1,31 • одноярусное РК

• двухярусное РК

60 58 56 54 52 грк 50

1,86

ц=!,31 1.57 ^21 2.82

2.3б\ "234 3,29 ' 3,75

2.62

• одноярусное РК

а)

6)

Рис. 5. Результаты расчёта характеристик РК с различным числом лопастей

Рабочее колесо с одноярусной решеткой лопастей для ступени с коэффициентом быстроходности п5=40, как показал расчет, имеет оптимальное число лопастей г=9 (1/1 ~ 2,4).

Переход к двухъярусной решетке лопастей РК приводит к увеличению напора, однако уровень КПД при этом снижается (рис. 5). Лучший результат из двухъярусных РК для рассматриваемой ступени имеет вариант с г\1г-2=П1\А. КПД этого варианта ниже КПД оптимального варианта с одноярусным РК на 1,5 %.

Для численного исследования влияния угла лопасти Рлг на выходе из РК на параметры ступени был спроектирован ряд рабочих колес с углами выхода в диапазоне от 18° до 28° с шагом в 2°. Расчётные характеристики ступени в составе РК, НА и части зоны поворота представлены на рис. 6а. При увеличении угла Рлг возрастает уровень потерь в отводе и в ступени в целом. Визуализация течения (рис. 7) объясняет полученный результат, т.к. при больших углах выхода происходит заметное нарушение равномерности потока в каналах РК и возникает отрывное течение на выходе из диффузора. На рис. 66 дан прогноз увеличения КПД за счёт немодельной подрезки внешнего диаметра рабочего колеса £>2. Максимальное повышении КПД на 1,3%, по сравнению с вариантом с РК рЛ2=20°, наблюдается при рЛ2=22-24°. Был выбран вариант с Рл2=22°.

• Напор тупени

• Гидравлические потери в ступени 1 і 1 1 1

• Напор * КП<9 - КПД пр тупени и немодег ьной подр

22 24

а)

28 "

б)

Рис. 6. Параметры ступени в составе РК и НА с различными углами выхода (5Л2

Рис. 7. Визуализация течения в ступенях с различными углами рлг

Исследование варианта с запиловкой лопасти на тыльной стороне на выходе РК показало возможность увеличения напора ступени на 3% при сохранении существующего КПД. Влияние запиловки РК с коэффициентом быстроходности ^=40 на напор оказалось менее значительным, чем для РК с большими коэффициентами быстроходности (до 10-13%).

Важным параметром при проектировании отвода является скорость на входе в направляющим аппарат кзг , где коэффициент Кс =Г(п5) обычно определяется по

эмпирическим зависимостям. Для спроектированного направляющего аппарата было проведено численное исследование влияния Кс на гидравлические качества рассматриваемой ступени с пл=40. Был спроектирован ряд отводов с значениями коэффициента Кс = 0,25 - 0,57. Расчёт проводился на 3 режимах (0,7(2ном, 2ном, 1,2(2ном)- Результаты расчета для номинального режима представлены на рис. 8, на рис. 9а представлены результаты визуализации течения. На рис. 96 приведено сравнение полученного оптимального значения Кс с рекомендациями других авторов для отводов канального типа.

110 100

•

• гидравлический КПД ступени 1 1 1

Пг. % дп. %

95 18

90 16

85 14

80 12

75 10

70 8

65 6

60 4

55 2

50 0

\

- 1

• Потери в РК

• По терив ступени -1-

• По

а) 6)

Рис. 8. Зависимость напора и КПД ступени (а) и потерь в её элементах (б) от коэффициента скорости Кс

\

-----

с тепано эргидж )-расче А.И.

• 3

а) б)

Рис. 9. Сравнение картин течения при различной входной площади отводов (а) и сравнение полученного значения Кс с рекомендациями других авторов (б) Анализ результатов визуализации потока на номинальном режиме показал, что уменьшение величины Кс до 0,35 не вызывает значительных изменений картины течения на номинальном режиме работы. В случае дальнейшего увеличения пропускной площади возникает развитая низкоэнергетическая зона на выходе из решётки направляющего аппарата. Для данной ступени для работы на номинальном и форсированном режимах в качестве оптимальной

можно принять величину Кс = 0,43. При работе на режиме со сниженной подачей такая ступень имеет несколько большие потери, однако разница не является значительной. Необходимо отметить, что представленные на рис. 96 зависимости были получены в основном для насосов с отводами канального типа с большими коэффициентами быстроходности.

Расчётное исследование влияния шероховатости поверхности на параметры насоса показало, что для насосов с низкой быстроходностью шероховатость поверхности оказывает заметное влияние на напор и КПД ступени. Уменьшение шероховатости обтекаемой поверхности с Яа=25 до Иа=6,3 для ступени с ^=40 приводит к увеличению напора на 3 %, КПД -на 1,5%. Дальнейшее повышение напора и КПД можно обеспечить за счёт применения покрытий, обеспечивающих условие проскальзывания, повышение напора при этом может составить 2,5 %, КПД - 1% по сравнению с поверхностью с Ка=6,3.

На основе результатов численных исследований была проведена дальнейшая модификация базового варианта разрабатываемой ступени (РК и НА). На рис. 10 представлено сравнение характеристик окончательного варианта и серийно выпускаемого насоса ЦНС 63-1400 в размерном и безразмерном виде.

Коэффициент полезного действия разработанного варианта проточной части насоса ЦНС 63-1400, доработанного с использованием 30 методов, превышает КПД варианта, разработанного с использованием 20 методов, на 1,2 %. Расчетный КПД окончательного варианта составляет 61,3%. Прогнозный КПД с учетом расхождения расчетного КПД с экспериментальным на -1 % составит 62,3%. Полученный КПД насоса может быть дополнительно повышен на (0,5-1) % за счет использования в ступени сотовых уплотнений.

а) б)

Рис. 10. Характеристики исходного и модифицированных вариантов ступени ЦНС 63-1400 в размерном (а) и безразмерном (б) виде

Проведенный анализ характеристик серийных насосов показывает, что достигнутый КПД насосов с коэффициентом п5=40 находится на уровне 52-62 % (рис. 11). По данным Еи-горитр для консольных насосов подобных размеров и быстроходности максимально достижимый КПД составляет 62 %.

Попт 90 80 70 60 50 40 -30 20 10 0

... —_____

1—

О 50 100 150 200 250

Рис.11. КПД серийно выпускаемых насосов

Разработанная проточная часть с коэффициентом быстроходности п5=40 в рабочей точке имеет коэффициент напора >|/=0,575, сравнение данного значения с рекомендациями различных авторов представлено на рис. 12а. Полученное в результате численных исследований оптимальное значение коэффициента напора у при п5=40 находится в границах диапазона, рекомендуемого другими авторами. Разница в рекомендациях разных авторов объясняется различием конструктивных параметров в их выборках, принятых для обобщения. Коэффициент расхода разработанной ступени равен ц>2 =0,05.

Горгиджанян Михайлов. Малюшенко Степанов Обретенов Исходный вариант

Рис. 12. Рекомендации по выбору величины коэффициента напора (а) и по выбору распределения относительной скорости (б)

Для разработанного насоса отношение коэффициента быстроходности в точке максимального КПД (точке оптимума) к коэффициенту быстроходности в рабочей точке (п5=40) составило п50т/п5р=] ,35. Такое соотношение можно рекомендовать при проектировании ступеней насосов низкой быстроходности.

На основании результатов численных исследований по оптимизации формы проточной части можно рекомендовать при проектировании РК обеспечивать положительное значение скорости невязкого потока в точке ее минимума у передней стороны лопасти. Напор по высоте пространственной лопасти Н{Ьг) можно рекомендовать обеспечивать постоянным или близким к постоянному по высоте лопасти. Важным параметром при проектировании является характер зависимости относительной скорости вдоль скелетной линии, который

задается при проектировании по методике, принятой на кафедре гидромашиностроения СПбГПУ. На рис. 126 показано сравнение полученного распределения с рекомендациями А.Ф. Куфтова, полученными на основе обработки экспериментальных данных. Спроектированная проточная часть имеет параметры, близкие к оптимальным, поэтому можно рекомендовать использование полученных соотношений и выводов для проектирования ступеней низкой быстроходности.

Оптимальные значения параметров насосов низкой быстроходности рекомендуется находить по результатам проведения серий ЗО-расчётов, т.к. эмпирические рекомендации для их выбора даны для конкретного сочетания конструктивных параметров.

В главе 4 исследована возможность применения перерасширенных отводящих устройств в консольных насосах. Вопрос рассмотрен на примере разработки ряда насосов типа КМ с минимальным числом отводящих устройств спирального типа на напоры 20, 32, 50 м и расходы 25 и 50 м3/ч, проектирование которых осуществлялось с помощью программного комплекса САПР ЦН.

Исходя из того, что номинальный диаметр РК насосов на напоры 20, 32, 50 м у исходных насосов составлял 125, 160 и 200 мм соответственно, минимально возможное количество отводов при проектировании было принято равным трём. Использовать один отвод в ступенях с разным напором не представлялось возможным. На каждый из напоров и два расхода при этом напоре (0=25 и 50 м3/час) проектировались ступени с одинаковым отводом и разными рабочими колесами. При этом в каждой «паре» ступеней на один напор (Н=20, 32, 50 м) отвод проектировался на больший расход, т.е. на (3=50 м3/час. При проектировании отвода для каждой из пар на больший расход была поставлена задача максимально возможно предусмотреть использование отвода в качестве перерасширенного в ступени с тем же напором, но с меньшей подачей.

Для окончательного анализа спроектированных вариантов проточных частей и оценки возможностей математических моделей различного уровня для оценки интегральных характеристик ступеней насосов консольного типа со спиральным отводом выполнены численные исследования спроектированных вариантов с использованием программного комплекса АЫБУБ СИХ.

Испытания трёх из шести спроектированных проточных частей, проведённые в ОАО «ЭНА», показали, что все разработанные проточные части отвечали требованиям технического задания по энергетическим и антикавитационным качествам. Сравнение экспериментальных энергетических характеристик, с характеристиками, рассчитанными по 21} и ЗС> методами, представлено на рис. 13.

Прогнозирование характеристик Н-{3, ц-(2 для ступеней с перерасширенными спиральными отводами с использованием 20 методов комплекса «САПР ЦН» дало значительную погрешность, гидравлические потери в ступени оказались существенно заниженными. Для улучшения сходимости результатов расчета с экспериментом в модели расчета потерь в ступени ЦН с использованием 20 методов дополнительно были учтены потери расширения, возникающие при выходе потока из РК в СО (спиральный отвод). Потери были рассчитаны,

как потери внезапного расширения. Для их вычисления была получена формула:

Лг|р I с'8а2<Р2-

2

• Напор (эксперимент) -*- Напор (расчёт 30)

Напор (расчёт 20) КПД (расчёт 20)

• КПД (эксперимент)

• КПД (расчёт 30)

• Напор (эксперимент) Напор (расчёт 30)

-*- Напор (расчёт 20) . • КПД (эксперимент)

• КПД (расчёт 30)

• Напор (эксперимент) Напор (расчёт 30)

• Напор (расчёт 20)

• КПД (эксперимент) КПД (расчёт 30)

— КПД (расчёт 20)

Рис. 13. Сравнение расчётных характеристик спроектированного ряда насосов с результатами испытаний: а - насос КМ 80-50-200 (Н=50 м, 0=25 м3/ч, п8=47); б - КМ 80-65-160 (Н=32 м, 0=25 м3/ч, п8=66); в - КМ 80-65-160 (Н=32 м, 0=50 м3/ч, п8=90); г - визуализация течения в проточной части насоса - КМ 80-65-160 (Н=32 м, 0=50 м3/ч)

30 25 20 15 10

Напор (эксперимент) Напор (расчёт 30) Напор (расчёт 20) КПД (расчёт 20) КПД (эксперимент) КПД (расчёт 30)

25

30

35

Рис. 14. Результаты прогнозирования характеристики насоса КМ 80-50-200 (н=50 м, 0=25 м3/ч, п8=47) с использованием уточненной модели потерь

Данный вид потерь был включен в модель расчёта, используемую в комплексе «САПР ЦН». Их учёт особенно важен и необходим при расчётном исследовании ступеней с перерасширенным отводом. Результаты прогнозирования характеристики одного из спроектированных насосов с использованием уточненной модели потерь по САПР ЦН представлены на рис. 14. Сравнение результатов расчета и эксперимента показывает, что произведенные уточнения модели потерь позволили существенно уменьшить расхождение данных расчета и эксперимента в ступенях с перерасширенным отводом. Методика в дальнейшем будет использоваться в практических расчетах проточных частей центробежных насосов. Разработанные проточные части были использованы предприятием-заказчиком в выпускаемых насосах типа КМ.

В заключении работы обобщаются результаты проведенных исследований:

1. Выполнено систематическое исследование влияния постановки трёхмерного численного моделирования течения вязкой жидкости в ступенях центробежных насосов низкой быстроходности. Получены параметры математической модели, обеспечивающие повышение точности определения энергетических характеристик (расхождение по напору для исходного варианта исследуемой проточной части насоса ЦНС 63-1400 составило 0,8%, по КПД -1,3%). Проведена апробация расчётных методик на проточных частях с различными параметрами, получена хорошая степень сходимости расчётных и экспериментальных характеристик.

2. Отработана усовершенствованная методика проектирования ступеней центробежных насосов низкой быстроходности, основанная на совместном использовании комплекса «САПР ЦН» и моделей расчёта пространственного вязкого течения жидкости.

3. Проведены расчётно-теоретические исследования влияния на энергетические показатели ступени относительной ширины (в диапазоне 0,027-0,037, оптимальное значение 0,034), числа лопастей (в диапазоне 5-10, оптимальное значение 9), угла выхода из рабочего колеса (в диапазоне 18-28°, оптимальное значение 22°), коэффициента скорости на входе в каналы направляющего аппарата (в диапазоне 0,25-0,57, оптимальное значение 0,43) для проточной части с коэффициентом быстроходности п5=40 с использованием трехмерных методов расчета течения и потерь.

4. Определена величина повышения напора насосов низкой быстроходности за счет применения 2-х ярусных решеток лопастей (для рабочих колёс с числом лопастей от 5/10 до 8/16 повышение составило 2,7 - 10,5 %), запиловки лопастей рабочего колеса (использование специальной запиловки даёт повышение напора на 3%).

5. Проведено расчётное исследование влияния чистоты обработки обтекаемых поверхностей проточной части для ступени с низким коэффициентом быстроходности. Теоретически показана возможность повышения напора и КПД для исследуемой проточной части - на 3% и 1% соответственно.

6. На основании проведённых исследований даны рекомендации по выбору коэффициента расхода, напора и геометрических параметров проточных частей для насосов низкой быстроходности с п5=40. Спроектирован модифицированный вариант проточной части насо-

са ЦНС 63-1400 с улучшенными гидравлическими качествами (значение КПД повышено на 5 % по сравнению с серийным вариантом при сохранении напорной характеристики).

7. Численно показана и затем подтверждена экспериментально возможность применения в консольных насосах перерасширенных отводов с целью минимизации их числа при создании ряда насосов КМ.

8. Уточнена математическая модель расчёта потерь по двумерному подходу в насосах со спиральными отводами. Улучшена сходимость расчётных и экспериментальных энергетических характеристик насосов данного типа (для модифицированной проточной части насоса насоса КМ 80-50-200 расхождение по КПД на номинальном режиме уменьшено с 5% до 1,5%).

9. С использованием разработанного подхода спроектирован ряд проточных частей кон-сольно-моноблочных насосов, которые были использованы предприятием-заказчиком в выпускаемой продукции.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях Перечня ВАК

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

2. Алексенский В.А. Модернизация консольно-моноблочных центробежных насосов с использованием методов CFD / Алексенский В.А., Жарковский A.A., Першаков Н.Г. // Известия Самарского научного центра российской академии наук. Том 13. - Самара. : Изд-во Самарского науч. центра РАН, 2012. - № 1(2). - С. 328-331

Статьи в научных изданиях

3. Алексенский В.А. Модернизация и унификация консольно-моноблочных насосов с использованием вычислительных методов / Алексенский В.А., Жарковский A.A. // Насосы & оборудование. - Киев.: Изд-во РАПН, 2012. - № 2. - С. 42-44

4. Пугачев П.В. Расчётное исследование потерь в направляющих 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

5. Пугачев П.В. Расчётно-экспериментальное исследование течения в рабочем колесе питательного насоса / Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. // Насосы & оборудование. - Киев.: Изд-во РАПН, 2011. - № 4-5. - С. 96-98

Публикации в трудах международных и всероссийских конференций

6. Алексенский В.А.. Исследование течения в многоступенчатом секционном насосе с коэффициентом быстроходности 40 / Алексенский В.А., Жарковский A.A. // XXXIX неделя

науки СП6ГПУ, Материалы международной научно-практической конференции. Ч.Ш. -СПб. : Изд-во Политехи. Ун-та, 2010. - С. 14-16

7. Алексенский В.А. Модернизация проточной части насоса для системы охлаждения электронной аппаратуры с использованием численных методов исследования трёхмерного вязкого течения / Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. // Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты сборник докладов, труды ВНТК. - Махачкала. : Изд-во ДГТУ, 2010. - С. 20-21

8. Алексенский В.А. Модернизация проточной части центробежного насоса с использованием численных методов исследования трехмерного вязкого течения / Алексенский В.А., Жарковский A.A. // Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: сборник докладов. Труды Всероссийской науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (9 декабря 2010 г., Москва). - М. : Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 12-15

9. Алексенский В.А. Расчётное исследование влияния геометрических параметров направляющих аппаратов на их энергетические показатели / Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. // XL неделя науки СПбГПУ, Материалы международной научно-практической конференции - СПб. : Изд-во Политехи. Ун-та, 2011. - С. 18-20

10. Алексенский В.А. Расчетное исследование влияния параметров рабочего колеса на характеристики многоступенчатого насоса / Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. // Тезисы МНТК «Эффективность и экологичность насосного оборудования и инновационное оборудование и технологии в арматуростроении». - М., 2011. - С. 64—65

11. Алексенский В.А. Расчетное исследование течения и потерь в насосе ЦНС 63-1400 / Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. // Тезисы МНТК «Гервикон-2011», Международный форум «Насосы-2011». - Сумы. : Изд-во СумГУ, 2011. - С. 148-153

12. Пугачев П.В. Расчётное исследование влияния геометрических параметров направляющих аппаратов на их энергетические показатели / Алексенский В.А., Жарковский A.A., Пугачев П.В. // Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: сборник докладов. Труды Всероссийской науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (20 декабря 2011 г., Москва). - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - С. 137-142

Подписано в печать 19.10.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 2197.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение.

1. Обзор литературы. Цель и задачи работы.

1.1. Методы проектирования центробежных насосов.

1.2. Методы расчётных исследований течения и потерь в проточных частях лопастных гидромашин.

1.2.1. Двумерные методы.

1.2.2. Трёхмерные методы.

1.3. Объекты исследования.

1.4. Цель и задачи работы.

2. Выбор параметров расчётной модели и ее апробация.

2.1. Исследование влияния параметров расчётной сетки.

2.2. Выбор модели турбулентности.

2.3. Исследование влияния конфигурации расчётной области.

2.4. Исследование влияния уровня сходимости.

2.5. Апробация методики расчета.

2.5.1. Насос 600В1.6-100.

2.5.2. Насос КМ 65-50

2.6. Рекомендации по выбору параметров математической модели

3. Проектирование ступени насоса ЦНС 63-1400 с использованием

2Т> и ЗБ методов.

3.1. Исследование гидравлических качеств серийно выпускаемого насоса ЦНС 63-1400.

3.2. Проектирование модифицированного варианта ступени с использованием комплекса «САПР ЦН».

3.3. Исследование влияния ширины рабочего колеса.

3.4. Влияние числа лопастей рабочего колеса.

3.5. Исследование влияние угла лопасти на выходе рабочего колеса.

3.6. Запиловка лопастей рабочего колеса с тыльной стороны.

3.7. Выбор оптимальной ширины входного сечения отвода.

3.8. Расчётное исследование влияния шероховатости поверхности проточной части.

3.9. Выбор оптимального варианта ступени насоса ЦНС 63-1400.

3.10. Выводы по главе.

4. Разработка ряда проточных частей насосов типа КМ с минимально возможным числом спиральных отводов.

4.1. Проектирование шести насосов с тремя отводами на напоры

20,32, 50 м и подачи 25 и 50 м /ч на основе двумерных методов

4.2. Численное исследование спроектированных вариантов с использованием ЗБ методов.

4.3. Сравнение результатов расчётного и экспериментального исследования разработанных проточных частей.

4.4. Уточнение математической модели расчета потерь в ступенях с перерасширенным отводом спирального типа.

Актуальность работы. Практически вся добываемая в мире нефть извлекается посредством бурения скважин. При этом только около 5% российских нефтяных скважин эксплуатируются в режиме, когда пластовое давление достаточно велико. В остальных случаях необходимо применение искусственных методов, основным из которых является закачка воды в нефтеносные пласты с целью вытеснения из них нефти [1,59,69]. Организация системы поддержки пластового давления (ППД) позволяет добиться значительного увеличения отдачи нефти. В настоящее время в системах ППД находят широкое применение многоступенчатые секционные центробежные насосы (ЦНС), многие из которых имеют низкую быстроходность. При добыче нефти с использованием таких систем затраты " ' электроэнергии на привод насоса поддерживающего давление составляют

11 значительную часть себестоимости (по данным компаний - до 25%). В условиях постоянного роста цен на энергоносители, энергоэффективность , производства становится чрезвычайно важным фактором. При этом многие £ * \ из агрегатов, находящихся в эксплуатации, требуют замены или . модификации, т.к. проектировались по устаревшим методикам и не обладают -, достаточной эффективностью.

Таким образом, актуальным является вопрос модернизации проточных частей насосов ЦНС низкой быстроходности, направленной, на повышение их экономичности. В связи с этим необходима проработка вопросов выбора оптимальных конструктивных параметров проточной части, в том числе, на -основе численных методов. В литературе данные вопросы освещены недостаточно. Помимо использования в составе систем ППД, насосы типа ЦНС низкой быстроходности эксплуатируются в качестве питательных. Повышение их экономичности также является актуальной задачей.

Результаты и зависимости, полученные при проектировании насосов типа ЦНС низкой быстроходности, могут быть использованы для центробежных насосов других конструкций. В данной работе также рассматривается вопрос использования перерасширенных отводов спирального типа при разработке ряда проточных частей консольно-моноблочных насосов с минимально возможным числом отводящих устройств.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решаются на основе методов вычислительной гидродинамики и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Выполнено систематическое исследование влияния постановки трёхмерного численного моделирования на результаты расчета течения вязкой жидкости и прогнозирования интегральных параметров в ступенях центробежных насосов низкой быстроходности. Получены параметры математической модели, обеспечивающие высокую точность определения энергетических характеристик.

Отработана усовершенствованная методика проектирования ступеней* центробежных насосов низкой быстроходности, основанная на совместном-использовании двумерных моделей, заложенных в комплекс «САПР ЦН», и моделей расчёта трёхмерного вязкого течения.

Проведены расчётно-теоретические исследования влияния на энергетические показатели ступени относительной ширины, числа лопастей, угла выхода из рабочего колеса и скорости на входе в каналы направляющего аппарата для проточной части с коэффициентом быстроходности Пб=40 с использованием трехмерных методов расчета течения и потерь.

Определена величина повышения напора насосов низкой быстроходности за счет применения 2-х ярусных решеток лопастей, запиловки лопастей рабочего колеса, чистоты обработки обтекаемых поверхностей проточной части.

Численно показана возможность при создании ряда консольных насосов использования перерасширенных отводов с целью минимизации их числа.

Уточнена математическая модель расчёта потерь в двумерном подходе для насосов со спиральными отводами, что позволило улучшить сходимость расчётных и экспериментальных энергетических характеристик насосов.

Практическая значимость работы. Спроектирован вариант ступени насоса ЦНС 63-1400, обладающий повышенными гидравлическими качествами по сравнению с серийным вариантом. Даны рекомендации по выбору значений коэффициента расхода и напора для насосов низкой быстроходности с 115=40, а также геометрических параметров их проточных частей. Спроектирован ряд проточных частей консольно-моноблочных насосов на различные напоры с перерасширенными отводящими устройствами, которые использованы предприятием-заказчиком в выпускаемой продукции. В комплекс автоматизированного проектирования центробежных насосов «САПР ЦН» включена уточнённая математическая модель расчета потерь в насосах со спиральными отводами. Результаты работы находят применение при расчёте и проектировании проточных частей центробежных насосов на кафедре гидромашиностроения СПбГПУ, а также используются в учебном процессе.

Рекомендации по использованию. Результаты работы могут быть использованы при разработке проточных частей насосов типа ЦНС и КМ низкой быстроходности, для проектирования центробежных насосов других типов, а также в учебном процессе.

Достоверность результатов. Достоверность результатов теоретических исследований течения с помощью двумерных и трехмерных методов подтверждена сравнением с результатами экспериментов.

Личный вклад соискателя. В научных публикациях, которые раскрывают основные результаты работы, автору принадлежат: - уточнение параметров математической модели (ММ) для расчета течения вязкой жидкости в ступенях центробежных насосов низкой быстроходности и апробация расчетной методики;

-расчётные исследования влияния геометрических параметров рабочих колёс и направляющих аппаратов на характеристики ступеней центробежных насосов низкой быстроходности с использованием методов расчета трехмерного вязкого течения; численное исследование возможности применения в консольных насосах перерасширенных отводов с целью минимизации их числа.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на конференциях: ВНПК «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты», 2010, ДагГТУ, Махачкала; 14-ая МНТК студентов и аспирантов "Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика", Москва, МЭИ, 2010; МНПК «XXXIX Неделя науки СПбГПУ», СПб, СПбГПУ, 2010; 13-ая МНТК "ГЕРВИКОН-2011", Международный форум "НАСОСЫ-2011", СумГУ, г. Сумы, Украина, 2011; МНПК «ХХХЬ Неделя науки СПбГПУ», СПб, СПбГПУ, 2011; 15-ая МНТК студентов и аспирантов "Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика", Москва, МГТУ им Баумана, 2011; МНТК «ЕСОРЦМР 2011 ШШУАЬУЕ», Москва, 2011; МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития", СПб, СПбГПУ, 2012.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных работ (в т.ч. 2 работы в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 94 наименований. Основное содержание работы изложено на 160 страницах (включает 114 рисунков и 16 таблиц).

ЗЛО. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Предложена и апробирована методика проектирования проточной части центробежного насоса низкой быстроходности, основанная на совместном использовании программного комплекса «САПР ЦН», использующем для оценки течения и потерь двумерные методы, и ЗО моделей расчета. Разработанная методика позволяет более обоснованно исследовать рабочий процесс таких насосов и получать рекомендации для выбора оптимальных гидродинамических и конструктивных параметров их проточной части.

2. На основании проведенных расчетных исследований пространственного вязкого течения в исходном варианте проточной части насоса ЦНС 63-1400 можно сделать следующие выводы:

- В меридианном сечении РК наблюдается низкоэнергетическая зона у покрывающего диска (ПД) в области поворота потока из осевого в радиальное направление.

-Имеет место низкоэнергетическая зона в межлопастном канале в средней части стороны давления (СД) лопасти. Это связано с затяжным отрицательным градиентом относительной скорости от входа в колесо до точки минимума скорости на СД лопасти.

- Наблюдается отрывное течение в каналах направляющего аппарата, что приводит к увеличению гидравлических потерь в нём.

3. В результате проектирования варианта проточной части насоса ЦНС 63-1400 с использованием программного комплекса «САПР ЦН»:

-Устранены зоны повышенных потерь в каналах колеса и уменьшен коэффициент потерь за счет уменьшения диаметра входной воронки ДД>2> ширины рабочего колеса Ь2/£>2 и увеличения густоты решетки //г.

-Уменьшены потери в отводящем устройстве путем замены отвода канального типа на отвод лопаточного типа, потери в котором меньше на 5%.

4. На основе методов расчёта пространственного вязкого течения проведены систематические численные исследования влияния геометрических параметров ступени на её гидравлические качества:

- Исследовано влияние относительной ширины РК в диапазоне ¿2Я>2=0,027 — 0,037. Получено оптимальное значение Ъг1В¿=0,027, лежащее в диапазоне рекомендаций ряда авторов, которые были получены на основе анализа экспериментальных данных. Разброс рекомендаций объясняется различием конструктивных параметров ступеней, исследованных разными авторами. Численный метод дает рекомендации непосредственно для конкретных параметров и поэтому является более общим.

- Исследовано влияние угла лопасти на выходе РК. Увеличение угла с Рл2=20° до Рл2=280 при выходе потока в БЛД приводит к увеличению напора РК на 10 %, а КПД рабочего колеса на 1%. В случае ступени в составе РК и НА напор ступени возрастает на 5%, гидравлические потери возрастают на 3%. Оптимальным является угол 22 - 23°.

-Исследованы рабочие колеса с числом лопастей ъ = 7—10. Для рассматриваемого РК с п8=40 получено оптимальное число лопастей ъ = 9 (1/1' = 2,36).

- Исследована возможность использования в ступенях низкой быстроходности 2-х ярусных решеток лопастей для повышения напора. При добавлении второго ряда укороченных лопастей в рабочем колесе с п3=40 и сочетанием коротких и общего числа лопастей ъ\1ъг=11\Ь было получено, что повышение напора составило 6 % при уменьшении КПД на 1,5 % по сравнению с одноярусным РК с числом лопастей г=7.

- Установлено влияние запиловки лопастей РК с тыльной стороны на напор исследуемой ступени с п8=40. Получено, что её применение позволяет увеличить напор ступени на 3 % при сохранении КПД на прежнем уровне.

- Проведено численное исследование влияния скорости на входе в НА, определяемой коэффициентом Кс, на гидравлические качества рассматриваемой ступени с п$=40. Был спроектирован ряд отводов с диапазоном коэффициента Кс = 0,25 - 0,57. По результатам исследований для ступеней с лопаточным отводом с д?=40 рекомендовано выбирать Кс =0,43, что ниже рекомендаций других авторов для отводов канального типа.

- Проведено исследование влияния шероховатости обтекаемых поверхностей на гидравлические качества ступени. Уменьшение шероховатости с 31а=25 до Ыа=6,3 для ступени с п8=40 приводит к увеличению напора на 3 %, КПД - на 1,5 %. Возможное использование гидрофобных покрытий (соответствуют режиму проскальзывания при численных расчетах) позволит добиться повышения напора на 2,5 %, КПД -на 1% по сравнению с обтекаемой поверхностью с 11а=6,3.

5. С учётом указанных рекомендаций по выбору конструктивных параметров, спроектирован вариант ступени исследуемого насоса с улучшенными гидравлическими качествами. КПД ступени на номинальном режиме г|=62,3 % получен близким к максимально достижимому для данной быстроходности (по данным различных источников его величина составляет Лмах=62-64 %). КПД также может быть дополнительно повышен на (0,5-1) % за счет использования сотовых уплотнений. Исходя из того что спроектированный насос близок к оптимальному, его гидродинамические и конструктивные параметры можно рекомендовать к использованию при проектировании насосов низкой быстроходности:

- Оптимальные значения коэффициентов расхода и напора на номинальном режиме составляют, соответственно ф2 =0,05, ц/ =0,57.

- Проточную часть насоса низкой быстроходности следует, проектировать на больший коэффициент быстроходности, чем задаваемый параметрами технического задания. Так, для разработанного насоса отношение коэффициента быстроходности в точке максимального КПД (точке оптимума) к коэффициенту быстроходности в рабочей точке (п8=40) составило п50пт/пзр=1,35.

-Распределение скорости вдоль скелетной линии (рис. 3.46), полученное для данного РК, близко к оптимальному, и может быть рекомендовано при проектировании РК низкой быстроходности.

-Рекомендуется положительное значение скорости невязкого потока (рис. 3.45), в точке ее минимума на передней стороне лопасти (стороне давления) при проектировании РК.

- Напор по высоте пространственной лопасти Н(Ь2) можно рекомендовать при проектировании обеспечивать постоянным или близким к постоянному по высоте лопасти.

6. Для получения оптимальных значений параметров насосов низкой быстроходности рекомендуется находить их в результате проведения серий ЗБ-расчётов, т.к. эмпирические рекомендации даны только для конкретного сочетания конструктивных параметров (рекомендации разных авторов имеют разброс).

4. РАЗРАБОТКА РЯДА ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ НАСОСОВ ТИПА КМ С МИНИМАЛЬНО ВОЗМОЖНЫМ ЧИСЛОМ СПИРАЛЬНЫХ ОТВОДОВ

4.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШЕСТИ НАСОСОВ С ТРЕМЯ ОТВОДАМИ НА НАПОРЫ 20,32, 50 М И ПОДАЧИ 25 И 50 М3/Ч НА ОСНОВЕ

ДВУМЕРНЫХ МЕТОДОВ

Важнейшей целью при создании новых и модернизации эксплуатируемых насосов является обеспечение их максимально высокой энергетической эффективности на расчетном режиме, однако во многих случаях даже более важной задачей является максимальное сокращение расходов на изготовление агрегата при сохранении достаточного уровня КПД.

Целью исследования в данной работе являлась разработка проточных частей ступеней 6-ти насосов типа КМ с минимальным числом отводящих устройств спирального типа на напоры 20, 32, 50 м и расходы 25 и 50 м /ч (табл. 4.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведён анализ существующих методов проектирования центробежных насосов низкой и средней быстроходности, а также методов расчёта течения в проточных частях гидромашин. Рассмотрено применение двумерных и трёхмерных методов.

2. Выполнено систематическое исследование влияния постановки трёхмерного численного моделирования на результаты расчета течения вязкой жидкости и прогнозирования интегральных параметров в ступенях центробежных насосов низкой быстроходности.

3. Получены параметры математической модели расчёта пространственного вязкого течения, обеспечивающие высокую точность определения энергетических характеристик центробежных насосов.

4. Проведена апробация расчётных методик на проточных частях с различными параметрами, получена хорошая степень сходимости расчётных и экспериментальных энергетических характеристик.

5. Отработанна усовершенствованная методика проектирования ступеней центробежных насосов низкой быстроходности, основанная на совместном использовании программного комплекса «САПР ЦН» и моделей расчёта пространственного вязкого течения жидкости.

6. Проведены расчётно-теоретические исследования по влиянию на энергетические показатели ступени относительной ширины, числа лопастей, угла лопастей на выходе из рабочего колеса и скорости на входе в каналы направляющего аппарата для проточной части с коэффициентом быстроходности п5=40 с использованием трехмерных методов расчета течения и потерь.

7. Спроектирован модифицированный вариант проточной части насоса ЦНС 63-1400 с улучшенными гидравлическими качествами. Проведено сравнение её эффективности с уровнем максимально достижимых КПД для насосов со сходными параметрами.

8. Даны рекомендации по выбору коэффициента расхода, напора и геометрических параметров проточных частей для насосов низкой быстроходности с ns=40.

9. Численно показана и затем подтверждена экспериментально возможность применения в консольных насосах перерасширенных отводов с целью минимизации их числа при создании ряда насосов КМ.

10. Уточнена математическая модель расчёта потерь по двумерному подходу в насосах со спиральными отводами. Улучшена сходимость расчётных и экспериментальных энергетических характеристик насосов данного типа.

11. С использованием разработанного подхода спроектирован ряд проточных частей консольно-моноблочных насосов, которые были использованы предприятием-заказчиком в выпускаемой продукции.

1. Анализ опыта эксплуатации насосных агрегатов в системе ППД НГДУ «Уфанефть» / Хасанов Ф.Ф., Закиев В.Р., Таушев В.В., Гарифуллин И.Ш // Нефтяное хозяйство. 2002. -№ 4 - С. 98-100.

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

3. Байбаков О.В., Матвеев И.В. К вопросу прогнозирования характеристики проектируемого центробежного насоса // Вестник машиностроения. 1976. -№1-С Л 4-16.

4. Байбаков О.В., Матвеев И.В. Прогнозирование характеристики центробежного насоса // Вестник машиностроения. -1973. №10. - С Л 6-19

5. Богун B.C. Способы повышения экономичности и ресурса питательных насосов для ТЭС с энергоблоками мощностью 250+1200 МВт. Дис. к.т.н. / СПбГПУ. СПб, 2011 191 с.

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

7. Боровский Б.И. Энергетические параметры и характеристики высокооборотных лопастных насосов. — М. Машиностроение, 1989 г., 182 с.

8. Борщев И.О., Жарковский A.A., Плешанов BJL, Шкарбуль С.Н. Влияние некоторых элементов лопаточных отводов на характеристики центробежных насосов и характер донных линий тока. Труды ЛИЙ., 1986, № 420.—С. 39—43.

9. 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. С. 87-22

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

11. Васильцов Э.А., Невелич В.В. Герметические электронасосы. JI: Машиностроение, 1999.260 с.

12. Волков A.B., Разработка метода проектирования эффективных рабочих колес гидромапган на основе комбинации одномерной обратной и трехмерной прямой гидродинамических задач. Автореф. дис. к.т.н. / МЭИ. М., 1991.20 с.

13. 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» 2003, - № 1.- С. 27-33.

14. 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. — 2007. № 2. С. 10-16.

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

16. Галеркин Ю.Б. Турбокомпрессоры. Рабочий процесс, расчет и проектирование проточной части. М.: Информационно-издательский центр «КХТ».2010.-596 с.

17. Гамбургер Д.М. Численное моделирование течения вязкого газа в центробежной компрессорной ступени: методика и результаты. Автореф. дис. к.т.н. / СПбГПУ. СПб, 2009.16 с.

18. Герасимов A.B. Исследование структуры потока и потерь в центробежном компрессорном колесе, спрофилированном по методу ЛПИ. Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. Л., 1982.305с.fr tf! '

19. Голиков B.A., Жарковский A.A., Топаж Г.И. Программные комплексы для расчета течения и автоматизированного проектирования лопастных гидромашин // НТВ СПбГПУ. Серия: Наука и образование, 2012. №1 (142). С. 199-206.

20. Горгиджанян С. А. Гидравлические расчеты проточной части центробежных насосов Л.: ЛПИ, 1982.

21. Давыдов И.В. Измерение скоростей и давлений в канале направляющего аппарата: Труды ВИГМ, Вып. XXIV, 1959.

22. Давыдов И.В. Исследование направляющих аппаратов центробежного насоса: Труды ВИГМ, Вып. XXII, 1958.

23. 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, 10-11 июня 2010 г., С.45-47.

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

25. Жарковский А. А. Математическое моделирование рабочих процессов в центробежных насосах низкой и средней быстроходности для решения задач автоматизированного проектирования. Дис. д-ра. техн. наук/ СПбГПУ., СПб., 2003, 568 с.

26. 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», 6-9 сентября 2011, СумГУ, г. Сумы, Украина, С. 148-153.

27. Жарковский A.A., Грянко Л.П., Плешанов В.Л. Автоматизированное проектирование рабочего колеса центробежного насоса: Учебное пособие. -Л.: ЛГТУ, 1990.53 с.

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

29. Жарковский A.A., Поспелов АЛО. Моделирование вязкого течения в центробежных рабочих колесах// Компрессорная техника и пневматика, 2011, 4, С. 18-24.

30. Жарковский A.A./ Силантьев A.B., Черединов Д.В. Расчет потерь в малоканальных отводах и прогнозирование напорной характеристики промежуточной ступени центробежного насоса // Гидротехническое строительство. 2001. №6. С. 49-54.

31. 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.

32. Жарковский A.A., Щуцкий С.Ю. Расчёт потерь в малоканальных отводах и прогнозирование напорной характеристики ступеней многоступенчатых центробежных насосов // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2010. -№1.-С. 172-176.

33. Жарковский A.A., Щуцкий СДО. Расчёт пространственного пограничного слоя в рабочем колесе центробежной турбомашины // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2010, №1, С. 143-148.

34. 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.

35. Иоффе Р.Л., Панченко В.И. К исследованию влияния чисел лопастей рабочих колес гидродинамических машин на их виброакустические характеристики// Машиностроение, 1972, №1. С.20-24.

36. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров: Пер. с англ. М.: Мир, 2000. — 688 с.

37. Климович В.И. Расчет течений в проточной части насос-турбин на основе решения прямой осесимметричной задачи теории гидромашин // Известия АН СССР. МЖГ. 1988. №4.

38. Кузнецов A.B., Панаиотти С.С., Савельев А.И. Автоматизированное проектирование центробежного насоса: Методическое пособие / Под ред.

39. С.С. Панаиотги. -M.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 48 с.

40. Куфтов А.Ф. Обобщенный метод расчета и профилирования центробежных компрессоров и насосов на основе коэффициентов аэрогидродинамических нагрузок. Автореф. дис. .докт. техн.наук/ МВТУ. М.,1995.32с.

41. Ломакин АЛ. Горгиджанян С.А. Исследование и отработка ступени насоса сверхвысокого давления в турбоустановке К-300-240-ЛМЗ. Л.: Труды ЛПИ№ 215.1961.

42. Ломакин A.A. Центробежные и осевые насосы. Л.: Машиностроение, 1966.-364 с.

43. Луговая С.О. Гидродинамические особенности проектирования сменных проточных частей при создании унифицированного ряда центробежных насосов. Дис. к.т.н. / СумДУ. Сумы,2009.147 с.

44. Луговая С.О., Прогнозирование характеристики ступени со сменной проточной частью, "Bîchhk СумДУ. Серш техшчш науки", №1,2009 г.

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

46. Моргунов Г.М. Разработка интегральных методов расчёта трёхмерных течений в турбомашинах и их применение к анализу гидродинамических качеств и проек-тированию лопастных систем. . Дис. . докт. техн. наук/ МЭИ. М., 1985. 350с.

47. Певзнер Б.М. Судовые центробежные и осевые насосы.- Л.: Судпромгиз,1> I1958.-320 с.

48. Полоцкий Н.Д. О формировании пограничного слоя на выпуклой стенке кривоосных диффузоров // Труды ВИГМ. 1962. Вып. XXX. С. 3-17.

49. Полоцкий Н.Д. Результаты исследования потока в плоских кривоосных диффузорах // Труды ВИГМ. 1962. Вып. XXXI. С.3-17.

50. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М. 1960 г., 686 с.

51. Пылев И.М., Ильин С.Я., Демьянов В.А. Разработка модернизированного питательного турбонасоса для блоков 300 МВт / Научно-технические проблемы современного гидромашиностроения и методы их решения. Труды IIМНТК. СПб.: Нестор, 2001. С. 54-57.

52. Рис. В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Л. "Машиностроение", 1981 г., 351 с.

53. Рубинов В .Я., Покровский Б.В. Трубчатые направляющие аппараты для центробежных насосов // Химическое и нефтяное машиностроение, 1974, № 6. — С. 6—8.

54. Руденко А.А. Системы поддержания пластового давления: нынешнее состояние и перспективы развития // Насосы и оборудование, №2(23), 2003,V

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

56. Солдатова К.В. Анализ движения газа в зазоре «Покрывающий диск-корпус» центробежной компрессорной ступени численными методами и рекомендации по проектированию. Автореф. дис. к.т.н. / СПбГПУ. СПб, 2007. 20 с.

57. Сонин В.И. Разработка системы автоматизированного проектирования проточной части реактивных гидротурбин: автореф. дис . канд. техн. наук: 05.13.12,05.04.13 /Сонин В.И., СПбГПУ. СПб, 1994. - 18 с.

58. Степанов Л.И. Центробежные и осевые насосы. Теория, конструирование и применение. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960. 468 с.

59. Стрижак Л .Я. Термогазодинамические основы проектирования центробежных компрессоров высокого и сверхвысокого давления. Дис. д-ра техн. наук / СПбГТУ. СПб., 1995.573 с.

60. Тестирование пакета CFX-5 на примерах течения воздуха в элементах проточных частей насосов специализации ВНИИАЭН. Моделированиег Л

61. Твердохлеб И.Б., Обозный A.C. Надёжность эксплуатации насосов типа ЦНС в системах ППД // Насосы и оборудование, №2(61), 2010, С. 14-16.

62. Федоров A.B., Струментова Н.С., Шумилин С.А. Автоматизированное проектирование лопастных систем рабочих колес насос турбин на напоры 90 - 150 м // Труды ЦКТИ, 1988 вып. 244, С. 28-35.

63. Хованов Г.П. Исследование влияния гидрофобности поверхностей элементов проточной части на эксплуатационные качества и отдельные виды потерь центробежных насосов. Автореф. дис. д.т.н. / МЭИ. М., 2012.20 с.

64. Циммерман С.Д., Анкудинов А А., Васин В.А. Основные направления развития гидромашиностроения на калужском турбинном заводе // Вестник ЮуРГУ. Челябинск. : Изд-во ЮуРГУ, 2005.-№ 1 (41). - С. 58-64.

65. Численное моделирование течений в турбомашинах / С.Г. Черный, Д.В. Чирков, В.Н. Лапин и др. Новосибирск: Наука, 2006. - 202 с.

66. Шиль. Ю. Тенденции развития питательных насосов // Вестник ЮуРГУ. Челябинск. : Изд-во ЮуРГУ, 2005. - № 1 (41). - С. 32-46.

67. Шкарбуль С.Н., Жарковский A.A. Гидродинамика потока в рабочих колесах центробежных турбомашин. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1996. 356 с.

68. Шкарбуль С.Н., Жарковский A.A., Черединов Д.В., Виль Г., Зимницкий A.B. Расчет течения вязкой жидкости на внешней стенке в спиральномотводе // Компрессорная техника и пневматика. 2000. №4. С. 24-26.

69. Щуцкий С.Ю. Оценка гидравлических показателей и проектирование многоступенчатых насосов на основе квазитрехмерных методов. Дне. канд. техн. наук / СПбГПУ. СПб, 2011.143 с.

70. Этинберг И.Э., Раухман Б.С. Гидродинамика гидравлических турбин. JL, Машиностроение JIO, 1978,20 с.

71. Attainable efficiencies of volute casing pumps: a reference guide / European Association of Pump Manufacturers // Elsevier, 1999,26 p.

72. Boussinesq J. Theorie de l'Ecoulement Tourbillant // Mem. Presentes par Divers Savants Acad. Sci. Inst. Fr. 1877. V. 23. pp. 46-50.

73. Donun U., Dernedde B.U. Uber eine aceswahlregal fiir die jaufund jeit chaufel zahl von kreiselpumpen // KSB Techniche Berishkte, 1964, № 9. pp. 44-52.

74. Ferziger J.H., Peric M. Computational methods for fluid dynamics Springer, 3ed, 2001 -T —431 p.

75. Gulich J.F. Centrifugal Pumps. Springer, 2008. 917 p.

76. Handbook of Grid Generation, Joe F. Thompson, Bharat K. Soni, and Nigel P. Weatherill (eds.), CRC Press, 1998.

77. Hess, J.L.; A.M.O. Smith (1967). "Calculation of Potential Flow About Arbitrary Bodies". Progress in Aeronautics Sciences 8:1-138.

78. Launder, В. E., and Sharma, В. I. (1974), "Application of the Energy Dissipation Model of Turbulence to the Calculation of Flow Near a Spinning Disc", Letters in Heat and Mass Transfer, vol. 1, no. 2, pp. 131-138.

79. Launder В. E. The Numerical Computation of Turbulent Flows / B.E. Launder, D. B. Spalding // Сотр. Meth. Appl. Mech. Eng. 1974. -Vol. 3. - 1974. - pp. 269-289.

80. Launder B.E. and Spalding D. В., Mathematical Models of Turbulence, Academic Press (1972).

81. Menter F.R., Esch T. Advanced Turbulence Modelling in CFX // CFX Update Spring 2001. - No. 20. - pp. 4-5.

82. Menter F.R. Zonal two equation k-w turbulence models for aerodynamic flows

83. AIAA Paper. 1993. AIAA-93-2906.

84. Wilcox, D.C., "Re-assessment of the scale-determining equation for advanced turbulence models", AIAA Journal, vol. 26, no. 11, pp. 1299-1310, 1988.

85. Wilcox, D. C., Turbulence Modeling for CFD, 3rd edition, DCW Industries, Inc., La Canada CA, 2006.

86. Yakhot, V., Orszag, S.A., Thangam, S., Gatski, T.B. & Speziale, C.G. (1992), "Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique", Physics of Fluids A, Vol. 4, No. 7, pp. 1510-1520.