Диссертация (1024729), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Пример такоговыбора приведен в Таблице 37.205Таблица 37.Выбор наилучшей модели на основе целевой функцииЗначениевесовыхкоэффициентовНомерЗначенмодели сиеминимальн целевойой целевойфункцифункциейиLHLкавLPL10,10,1220.110.1220.10.113115,007334,95782Значение критериев оптимизацииK1H1,85811,8581K2HCкавP11,5187 2,21077 14,093595611,5187 2,21077 14,093595611,7438 16,5458 15,8265 21,4052 6,3660965256Из приведенной таблицы видно, что при необходимости выбора моделис наилучшей формой характеристики и наилучшими кавитационнымикачествами наиболее удачной оказалась модель номер 22, при акценте наснижение колебаний на лопаточных частотах больше подходит модель 31.3.Полученный набор расчетных точек позволяет оценить степеньвлияния того или иного параметра на выбранные критерии оптимизации.
Притакоманализепоявляетсявозможностьпроследитьвзаимовлияниепараметров друг на друга и выработать общие рекомендации по их выбору.Такой подход тем эффективнее, чем больше расчетных точек посчитано впроцессе оптимизации. Предварительный анализ, проведенный в рамкахданной работы, показал, что уже при 32 расчетных точках такой анализ можетбыть проведен, но результат не всегда оказывается удовлетворительным.
Вдальнейших работах планируется исследовать данный вопрос с большимколичеством расчетов.2064.8.4. Выводы по результатам оптимизацииПредлагаемая методика оптимизации проточной части лопастногонасоса позволяет в сжатые сроки проектировать проточную часть насоса,удовлетворяющую сразу нескольким критериям. Методика основана наприменении ЛП-тау алгоритма оптимизации и позволяет как принятьтехническое решение в конкретном проекте, так и получить зависимостикритериевоптимизацииотвыбранныхпараметров,позволяющиевдальнейшем находить более близкое к оптимальной точке начальноеприближение.Описанный в настоящей работе пример применения методикиоптимизации наглядно демонстрирует эффективность ее использования.Разработанная методика применена для проектирования проточных частеймалошумных насосов в НПО «Гидромаш».4.9.Оптимизация осецентробежного рабочего колеса с расчетомкавитационных качеств насоса4.9.1.
Общее описание задачиОдним из важных направлений развития насосного оборудования внастоящеевремяявляетсяповышениекавитационныххарактеристикцентробежных насосов без существенного снижения их энергоэффективности.Сама по себе задача снижения величины допустимого кавитационногозапаса на входе в насос решается различными способами уже достаточнодавно [59], [60]. Используются такие конструктивные решения, как снижениечастоты вращения вала насоса, применение рабочих колес двухстороннеговхода и с перерасширенным входом [59], [38], установка предвключенныхосевых колес (шнеков) и их дальнейшего развития - осевихревых ступеней.Такие конструктивные решения применяются, например, в конденсатныхнасосах [61], насосах ЖРД [62] и авиационных насосах [63].207Однако все эти решения имеют ряд недостатков, связанных ссущественным увеличением габаритов и стоимости насоса, а такжеуменьшением его КПД и общим снижением энергоэффективности насоснойустановки.
Также сложной проблемой является обеспечение высокойвсасывающей способности насоса не только в окрестностях оптимальногорежима его работы, но и в более широком диапазоне подач [64].В известных литературных источниках достаточно подробно описаныкак применение предвключенных шнеков и шнековых комплексов [63], [64],[62], так и использование появившейся около 20 лет назад осевихревойступени [61].
Отмечаются такие их недостатки, как невысокий уровеньэнергоэффективности, ухудшение кавитационных качеств шнеков приотклонении режима работы насоса от оптимального [61], [62], резкоеухудшение виброакустических характеристик шнеков в нерасчетных режимахработы [63]. При этом осевихревая ступень, имея более широкий посравнению со шнеком диапазон рабочих подач [61], также не в полной мереотвечает требованиям по энергоэффективности.Кроме того, сложной задачей является обеспечение работы лопастныхнасосов на многофазных средах, в частности, при высоком содержании газовв перекачиваемой жидкости [65].
Для шнека срыв потока при высокомгазосодержании является весьма распространенным явлением [64], чтозаставляет в ряде случаев применять газосепараторы, усложняющиеконструкцию насоса и снижающие его коэффициент полезного действия [59],[64].Исходя из вышесказанного, появилась необходимость в создании болеесовершенного типа антикавитационного рабочего колеса, которое сочетало быв себе хорошие кавитационные качества, широкий диапазон допустимыхрежимовработы,высокуюэнергоэффективностьиулучшенныевиброакустические характеристики. Такая задача решалась на кафедре Э-10МГТУ им.
Н.Э. Баумана. При этом целями данного исследования являлись:208Разработкаметодикигидродинамическогомоделированияантикавитационного рабочего колеса лопастного насоса и верификация такойметодики на основе экспериментальных данных, полученных по результатамиспытаний макета насоса.Описаниеметодамичисленногомоделированияпотокадвухфазной среды в рабочем колесе насоса и определение на его основедостижимого значения кавитационного запаса насоса.Разработка метода оптимизации рабочего колеса по критериюкавитационный запас.Была предложена и запатентована конструкция антикавитационногорабочего колеса, представленная на Рисунке 4.89.Рисунок 4.89. 3D модель осецентробежной ступениПриведенная конструкция рабочего колеса была разработана дляприменениявцентробежномнасоседляперекачиваниягорячеготеплоносителя, к которому предъявляются повышенные кавитационныетребования.209Предполагаемымипреимуществамитакойконструкциипередтрадиционными колесами с предвключенными шнеками являются большийКПД,болееширокийдиапазонбескавитационныхрежимовработы(вследствие снижения интенсивности обратных токов в осевой части колеса),лучшие виброакустические характеристики, возможность работы на среде сповышенным газосодержанием и меньшие габариты проточной части насоса.Недостатком можно считать сложность изготовления, однако современныеметоды литья по выжигаемым моделям позволяют создавать рабочие колесатакой геометрии, что и было подтверждено в процессе изготовления опытногообразца данного насоса.С целью подтверждения заданных при проектировании параметровнасоса было проведено комплексное гидродинамическое моделированиеоднофазного и двухфазного течений в его проточной части.
Кроме того, былизготовлен и испытан на стендах кафедры макет насоса, выполненный спомощью 3D принтера, а также прошли испытания полноразмерногоопытного образца на предприятии «Щелковский насосный завод ЭНА».Задачами моделирования были:Оптимизация проточной части насоса с точки зрения достижениязаданных кавитационных характеристик при высоком (не менее 75%) КПДколеса;Подтверждение заданных при проектировании энергетических икавитационных характеристик насоса;Отработка методики расчета и верификации (путем сравнения срезультатами экспериментальных исследований макета насоса) однофазных идвухфазных течений в осецентробежном рабочем колесе.2104.9.2. Оптимизация осецентробежной ступени по критериям КПД икавитационного запасаВ разделе 4.8 уже рассматривалась процедура оптимизации насоса сулучшением его кавитационных характеристик, однако конечной цельюоптимизации было не снижение кавитационного запаса, а снижениекавитационного шума.
Таким образом в результате математическогомоделирования кавитационный запас не рассчитывался, а интенсивностькавитации оценивалась по распределению давления на лопастях рабочегоколеса.Вслучаенеобходимостирасчётакавитационногозапасавматематической модели приходится учитывать двухфазность среды, что самопо себе усложняет модель. При этом в процессе оптимизации приходитсярассчитывать частную кавитационную характеристику, как минимум, воптимальном режиме работы, что увеличивает в несколько раз количествонеобходимых расчетов.Предлагаемая методика оптимизации предполагает оптимизациюпроточной части в однофазной постановке с критерием оптимизациианалогичным выбранному в разделе 4.8 с последующим уточнением моделидвухфазным расчетом. Такая последовательность действий позволит нетолько выбрать проточную часть с наилучшими кавитационными качествами,но и выявить соответствие между выбранным критерием оптимизации икавитационными качествами насоса.4.9.3.
Математическая модельПри решении данной задачи использовались разные математическиемодели физических процессов в проточной части насоса. Для получениянормальной характеристики насоса и оценки кавитационных качествнеобходимо моделировать однофазное турбулентное течение жидкости. При211расчете кавитационных явлений необходимо использовать многофазнуюмодель [65], [66], [67].Кавитация в насосе может быть, как газовая, так и паровая.Интенсивность газовой кавитации сильно зависит от начальной концентрациигазовой фазы на входе в насос и размеров воздушных пузырей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
