Автореферат (Разработка комплексного метода расчета проточных частей центробежных насосов с оптимизацией параметров)

На правах рукописиЛОМАКИН ВЛАДИМИР ОЛЕГОВИЧУДК 621.671РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА РАСЧЕТАПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ СОПТИМИЗАЦИЕЙ ПАРАМЕТРОВСпециальность 05.04.13 – «Гидравлические машины игидропневмоагрегаты»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание степени доктора технических наукМосква 20171Диссертационная работа выполнена в федеральном государственномбюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московскийгосударственный технический университет им. Н. Э. Баумана (национальныйисследовательский университет)»Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры"Турбины,гидромашиныиавиационныедвигатели", ФГАОУ ВО Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого,Жарковский Александр Аркадиевичдоктор технических наук, заведующий кафедрой202 «Ракетные двигатели» ФГБОУ ВОМосковскийавиационныйинститут(национальный исследовательский университет),Тимушев Сергей ФедоровичВедущая организациядоктор технических наук, заведующий кафедрой«Нефтегазовогооборудованияитранспортировки» ФГБОУ ВО Воронежскийгосударственныйтехническийуниверситет,Валюхов Сергей Георгиевичфилиал АО «ГМС Ливгидромаш» в г.

МоскваЗащита состоится «14» марта 2018 г. в 14-30 на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.16 при Московском государственномтехническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва,Лефортовская наб., д.1.С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Бауманаи на сайте www.bmstu.ru.Ваш отзыв на автореферат в 2 экз., заверенных печатью учреждения,просим направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская улица, д.5, стр.1Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.16Автореферат разослан «__» __________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.16кандидат технических наук, доцент2М. А.

КолосовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования. С началом использования методоввычислительной гидродинамики в инженерной практике появилась возможностьрасчета течения жидкости в проточной части насоса и получения расчетныххарактеристик насоса в короткие, по сравнению со временем полученияэкспериментальных характеристик, сроки. Это позволило модифицироватьпроточную часть по результатам численного моделирования в процессепроектирования и тем самым получать более совершенные конструкции бездлительных экспериментальных исследований влияния геометрическихпараметров проточных частей на характеристики насоса.Однако процесс поиска оптимального проектного решения на основе такихрасчетов обычно основывается на интуитивных методах, а значитэффективность оптимизации и с точки зрения затраченного времени, и с точкизрения качества полученного результата сильно зависят от квалификации иопыта инженера-расчетчика.Разработка формальных математических методов поиска оптимальногопроектного решения является актуальной современной задачей.

В связи сосложнымхарактеромзависимостикритериевоптимизации(энергоэффективность, надежность, ресурс и пр.) от множества геометрическихпараметров проточной части насоса и длительностью расчета характеристикнасоса методами вычислительной гидродинамики, универсальные методыоптимизации плохо подходят для решения поставленной задачи. Метод расчетапроточной части насоса на основе оптимизационных алгоритмов долженучитывать тип проточной части, формулировку и количество критериевоптимизации, должен быть легко перестраиваемым при введении в рассмотрениедополнительных условий и должен приводить к требуемому результату заминимально возможные сроки.Необходимость в разработке таких методов расчета также диктуетсясовременным состоянием отрасли насосостроения.

Вводятся все новыетребования и нормы по эффективности и надежности насосного оборудования,и разработанные 20-30 лет назад методы проектирования лопаточных машин ужене позволяют добиться требуемых результатов.Цель работы – создание метода расчета основных типов проточных частейцентробежных насосов на основе оптимизационных алгоритмов и методоввычислительной гидродинамики, позволяющего проводить оптимизацию с3различным количеством критериев, таких как энергоэффективность,кавитационные качества, нагрузки на элементы конструкции и другимхарактеристикам. Процесс проектирования на основе данного метода долженукладываться в минимальные сроки с гарантированным результатом.Для достижения поставленной цели в диссертации были решеныследующие задачи:1.Обоснованы применяемые методы оптимизации и сформулированырекомендации по выбору того или иного метода.2.Разработан метод выбора управляющих параметров оптимизации,т.е.

геометрических параметров, оказывающих наибольшее влияние навыбранные критерии оптимизации и выбираемых в качестве варьируемых иоптимизируемых.3.Разработана математическая модель расчета оптимизируемыххарактеристик насоса на основе методов вычислительной гидродинамики,адаптированная к оптимизационным расчетам. Обоснованы допущения иограничения математической модели.4.Выявлены закономерности изменения различных оптимизируемыххарактеристик насоса (энергоэффективность, надежность, кавитационныекачества и пр.) от геометрических параметров проточных частей различныхтипов.5.Проведена экспериментальная проверка адекватности применяемыхматематических моделей. Проведена верификация результатов, полученныхрасчетным путем (как интегральных, так и дифференциальных характеристик).6.Экспериментальнымпутемподтвержденаэффективностьприменения разработанного метода оптимизации.Методы исследований.

Исследования проведены для проточных частейцентробежных насосов различного типа (консольные, двустороннего входа,многоступенчатые, с предвключенным шнеком). Решение задач базируется наиспользовании методов вычислительной гидродинамики и экспериментальныхисследованиях.Методические основы диссертационной работы базируются на:–современных методах расчета турбулентных течений в проточныхчастях роторных гидромашин с использованием моделей турбулентности типаRANS и URANS;4–математических методах решения оптимизационных задачстохастического и направленного поиска решения, а также их комбинации;–современных методах получения макетных и опытных образцовизделий на основе трехмерного прототипирования;–общей теории лопастных решеток и роторных гидромашин в целом;–современных методах автоматизированного проектирования ипрограммирования автоматизированных оптимизационных алгоритмов.Достоверность и обоснованность. Достоверность обеспечиваетсяиспользованием методов математической статистики при оценке погрешностейчисленных и натурных экспериментов.

Обоснованность подтверждается:–верификациейиспользуемыхматематическихмоделейэкспериментальным путем, сравнением дифференциальных и интегральныххарактеристик, полученных расчетным путем с результатами испытаний;–успешным внедрением результатов исследования в производство.Научная новизна:–разработан комплексный метод расчета проточных частей насосовосновных типов на основе применения оптимизационных алгоритмов и методоввычислительной гидродинамики, позволяющий в сжатые сроки проводить поискнаиболее оптимальных геометрических размеров элементов проточной части всоответствии с требуемыми критериями оптимизации;–создана математическая модель расчета проточных частейцентробежных насосов, позволяющая оптимизировать вычислительные ресурсыдля проведения многовариантного поиска оптимального проектного решения.–Создана математическая модель развития кавитации в проточнойчасти насоса, экспериментальным путем получены значения коэффициентов,входящих в модель, а также сформулирован критерий оценки кавитационныхкачеств насоса в процессе оптимизации его проточной части.Практическая ценность.

Разработанный метод расчета проточных частейцентробежных насосов может быть использован как в процессе проектированияновых насосных агрегатов с улучшенными характеристиками, так и длямодернизации старых конструкций, путем переработки отдельных элементовпроточной части. Разработанный метод позволяет существенно сократить срокипроектирования и добиться требуемого результата.5Реализация результатов. Разработанный метод расчета и практическиерекомендации по расчету и проектированию проточных частей насосныхагрегатов применены при проектировании насосных агрегатов на несколькихпредприятиях:–профилирование«Гидромех», г. Рыбинск;рабочегоколесагрунтовогонасоса,ЗАО–проектирование модельного ряда нефтяных магистральных насосов,АО «Нефтекамский машиностроительный завод», г.Нефтекамск;–проектирование, изготовление и испытания насоса для горячеготеплоносителя с повышенными кавитационными качествами, МинПромТоргРоссии;–проектирование и изготовление герметичного насоса с низкимкоэффициентом быстроходности, АО «Турбонасос», г.