Автореферат (Разработка комплексного метода расчета проточных частей центробежных насосов с оптимизацией параметров), страница 2

Воронеж;–проектирование сменных роторов насоса НМ10000-210, АК«Транснефть нефтяные насосы», г. Челябинск;–оптимизация проточной части насосов НМ1250-260 и НМ2500-230,АО «Конар» г. Челябинск;–оптимизация геометрических характеристик проточной частималошумного насоса, ЗАО НПО «Гидромаш», г.Москва.Во всех перечисленных работах метод расчета был успешно применен напрактике.Апробация работы. Основные научные положения и практическиерезультаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научнотехнических конференциях:–конференции в рамках ежегодной международной выставкиPCVExpo (Насосы, компрессоры арматура) (г.Москва, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.);–ежегоднаяВсероссийскаяконференциягидромашины» (г.Москва, 2014, 2015, 2016 гг.);«Гидравликаи–международная конференция «Динамика и виброакустика машин»(г.

Самара 2014 г.);–международная конференция «Fluid power and mechatronics»(Харбинский технологический институт, г. Харбин, КНР, 2015 г.).6Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ и оформленпатент на полезную модель, 16 опубликованных статей входят в список ВАК РФ,5 публикации – в международную базу Scopus.Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит извведения, 4 глав, основных результатов и выводов, библиографического спискаиз 148 наименований, содержит 252 страницы машинописного текста, 185иллюстраций, 40 таблиц.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении систематизируются основные подходы к оптимизации поразличнымкритериямпроточныхчастейцентробежныхнасосов.Обосновывается актуальность работы, ее научная новизна и практическаяценность.В первой главе описаны существующие проблемы повышения качествапроточных частей центробежных насосов и приводится обзор литературныхисточников, в которых рассматриваются пути решения поставленной задачи.Объектами исследования в данной работе являются проточные частицентробежных насосов различных типов.

Элементами проточных частейявляются: подводящее устройство полуспирального типа, рабочее колесо,направляющий аппарат, лопаточный и канальный диффузоры и отводящееустройство спирального типа с однозавитковой и двухзавитковой спиралью.Проточные части насосов основных типов состоят именно из перечисленныхэлементов. Разработанные методы оптимизации легко могут распространятьсяна элементы проточных частей других типов, однако в рамках данной работы нерассматриваются.При оптимизации геометрической формы проточных частей насосовразличных типов необходимо рассматривать различные критерии оптимизации.Например, для нефтяных магистральных насосов наибольшее вниманиеуделяется их энергоэффективности, для насосов, установленных на подводныхсудах, важны виброакустические характеристики и т.д.

В работерассматривается оптимизация по различным критериям и их комбинациям.Параметрами оптимизации выступают различные геометрическиехарактеристики проточной части насосов. При описании формы поверхностипроточной части можно ввести в рассмотрение сотни параметров, поэтому в7рамках работы исследуется влияние различных параметров на выбранныекритерии оптимизации и производится выбор наиболее значимых из них.Для получения значений критериев оптимизации при заданных параметрахприменяются методы трехмерного моделирования гидродинамическихпроцессов в проточной части насоса с различными настройками модели,позволяющими решить поставленную оптимизационную задачу сминимальными затратами вычислительных ресурсов.В настоящее время применение формальных математических алгоритмовоптимизации в процессе проектирования не находит широкого применения.Причиной является сложный характер взаимовлияния отдельных параметровоптимизации на исследуемые критерии.

Применение готовых алгоритмовсталкивается с проблемой выбора параметров оптимизации и необходимостизначительных вычислительных затрат, что приводит к исследованиюограниченного количества параметров в академических целях и трудностямвнедрения методов оптимизации в процесс реального проектирования насосов.Использование же метода последовательных расчетов проточных частейметодами трехмерного моделирования и принятия решения об изменении техили иных параметров на основе этих расчетов может привести кположительному результату лишь для ограниченного числа задач.

В основномтакой метод позволяет лишь обнаружить существенные ошибкипроектирования.В различных литературных источниках рассмотрены методы по расчету ипроектированию проточных частей центробежных насосов. Все эти методикисильно отличаются как по теоретическим предпосылкам, так и по степенивозможной автоматизации. Основы всех методик были заложены еще в первойполовине 20-го века и подробно изложены в таких трудах как (Ломакин, 1966) и(Пфлейдерер, 1960). В дальнейшем, как и в нашей стране, так и за рубежом, набазе этих методов активно разрабатывались полуавтоматизированные иавтоматизированные алгоритмы построения проточных частей центробежныхнасосов и их оптимизации.

В нашей стране работы в этом направлении активнопроводились во ВНИИ Гидромаш, в группе компаний “ГМС”, в МЭИ, МАИ,калужском филиале МГТУ им. Н. Э. Баумана, в Санкт-Петербургскомгосударственном политехническом университете и во многих других научныхцентрах.8До появления средств трехмерного гидродинамического моделированиятечений в проточных частях насосов успешно применялись классические методырасчета.Однако классические методики плохо адаптированы для профилированияпроточных частей насосов специальных типов: грунтовые, канализационные,малошумные и пр., а также при оптимизации насосов с целью улучшения такиххарактеристик как КПД, ресурс, вибрации, шум и пр.Появление методов вычислительной гидродинамики позволило решитьэти проблемы, однако возникла необходимость адекватной оценки результатовмоделирования, проблема точности таких расчетов, а также проблемаэффективного применения таких методов в процессе оптимизации проточныхчастей.К настоящему моменту проблема верификации численных расчетоврешена многими группами исследователей и обзор публикаций на эту темуприведен в работе.

Большое количество работ по оценке точности численныхрасчетов не снимает необходимость подтверждения результатов моделированияфизическим экспериментом, однако существенно повышает степень доверия крезультатам моделирования.Отдельной проблемой при использовании методов оптимальногопроектирования является необходимость постоянного перестроения проточнойчасти исследуемого насоса в процессе оптимизации. Не для всех элементовпроточной части разработаны прикладные программы автоматизированногопостроения.Приведенный обзор применения методов оптимизации проточных частейнасосов позволяет сделать вывод о том, что на данный момент не разработанкомплексный подход к расчету геометрических параметров проточной частинасоса, который бы включал в рассмотрение всю совокупность элементов,предлагал инструменты к выбору параметров оптимизации и методов, а такжеминимизировал время затраченное на процесс поиска решения путемприменения эффективной математической модели.Во второй главе описана математическая модель, применяемая в процессерасчета и оптимизации проточной части исследуемых насосов.Использование вычислительной гидродинамики для полученияхарактеристик насосов в процессе поиска оптимальной проточной частинакладывает особые требования к используемым численным моделям.

С одной9стороны, модель должна обладать достаточной точностью для полученияадекватной оценки полученных характеристик, с другой – обладатьвычислительной эффективностью для максимального сокращения временивычислений.В качестве прикладного программного пакета в данной работеиспользовался программный продукт STAR CCM+, специализирующийся нагидродинамическом моделировании.Течение жидкости в проточной части насоса в подавляющем числе случаевявляется турбулентным. Наиболее популярными моделями турбулентности длярешения инженерных задач являются модели типа k-epsilon и k-omega.В данной работе используется модель k-ω SST (Shear Stress Treatment),объединяющая в себе преимущества моделей обоих классов. С одной стороны,в области пограничного слоя модель использует уравнения модели k- ω,хорошо себя зарекомендовавшей для расчета пристенных течений.

Вдали отстенки уравнения трансформируются в модель типа k-ε, что устраняетнедостаток модели k- ω – чувствительность к граничным условиям.Проводилось сравнение с экспериментальными данными результатоврасчетов с использованием различных распространенных моделейтурбулентности (k-ω SST, k-ω Wilxon, k-ε двухслойная, SA), количество узловрасчетной сетки – 1 500 000. Экспериментальным исследованиям подвергалсянасос типа Д с двухзавитковой спиралью (Рисунок 1).5010,8400,6300,4200,20100Эксперимент0050kw100kwwke150SA50Эксперимент100kw150kwwke200SA200абРисунок 1. Сравнение напорных характеристик (а) и КПД (б)Из результатов сравнения можно сделать вывод о том, что все популярныеполуэмпирические модели турбулентности (за исключением SA) даютудовлетворительный результат по точности расчета и могут быть использованыв процессе оптимизации.10Выбор параметров расчетной сетки является крайне важным примоделировании в процессе оптимизации.