Диссертация (1024729), страница 22
Текст из файла (страница 22)
В даннойработе была сделана попытка получения кавитационной характеристикинасоса с учетом только паровой кавитации, как предельного случая отсутствияна входе в насос существенных газовых образований. Проделанное численноеисследование является основой для дальнейших работ, посвященных учетугазовой кавитации.Математическая модель для расчета двухфазной среды и учетакавитационных явлений приведена во второй главе.Шаг по времени выбирался исходя из характерных скоростей потока иразмера ячейки, а также исходя из скорости вращения рабочего колеса.Выбранный шаг по времени равен 5е-5 с. Число внутренних итераций накаждом временном шаге 20.Исходная 3D-модель проточной части (Рисунок 4.90) разбиваетсяавтоматическим генератором сетки на совокупность конечных элементов(ячеек), для каждой из которых составляются дискретные аналогинепрерывных уравнений.
Совокупность всех дискретных аналогов образуетзамкнутую систему алгебраических уравнений.Добавлено примечание ([ST22]): Почему нетпараметров, влияющих на осевую скорость на входе?212Рисунок 4.90. Исходная 3D-модель проточной части насосаРасчетная сетка имеет различную топологию. В ядре потока ячейкипредставляют из себя многогранники различной формы и размеров(Рисунок 4.91), вблизи твердых стенок ячейки представляют из себямногогранные призмы, вытянутые в направлении перпендикулярном стенке(такой подход при построении стеки позволяет рационально распределитьрасчётные ячейки вблизи твердых стенок, где наблюдается изменениескорости потока с большим градиентом в перпендикулярном стенкенаправлении).Рисунок 4.91.
Расчетная сетка2134.9.4. Выбор параметров оптимизацииВ качестве параметров оптимизации выбирались геометрическиепараметры на входе в рабочее колесо. Такие параметры одновременнооказывают влияние как на КПД насоса, так и на его кавитационные качества.Параметры и диапазоны их изменения приведены в Таблице 38.Таблица 38.Пределы изменения параметров оптимизации для насосаПараметр оптимизацииМинимальноеМаксимальноезначениезначение14802040312300700Положение входной кромки z, ммУгол установки лопасти по ведущемудиску β1h, градУгол установки лопасти по ведомомудиску β1s, градУгол охвата лопасти φ, градМетодом ЛП-тау было сгенерировано 256 расчетных точек и для каждойиз них построена трехмерная модель.4.9.5. Результаты оптимизацииРезультаты расчетов сведены в Таблицу 39.Таблица 39.Результаты расчетов при оптимизации осецентробежной ступениКоэффициент№Напор, мКПД146,360,72-10286,66224,610,58-150,45346,630,76-509,82кавитации214Таблица 39 - продолжение442,300,72-356,31551,510,73-15645,45637,770,70-392,70743,480,71-200,80848,590,77-373,43929,410,57-23945,041046,510,75-641,701146,590,74-190,851229,050,63-147,041354,850,78-1187,811443,330,72-520,491534,120,68-176,111639,450,72-324,251745,780,73-134,581842,820,73-284,881949,470,72-16386,582036,660,69-338,662141,940,69-10988,162240,350,72-365,042350,650,77-568,592458,960,78-3270,632545,070,74-478,762636,890,69-275,132749,110,74-137,732829,840,64-168,982951,890,75-731,613049,250,77-502,90215Таблица 39 - продолжение3127,340,59-290,623233,010,66-274,993355,060,78-221,243446,220,73-652,593537,630,70-278,243649,590,77-390,093726,630,54-19837,613823,530,56-136,623948,070,76-542,244043,120,73-261,854148,250,68-26854,054236,250,69-250,434330,750,65-156,944447,320,74-787,364554,920,75-613,074634,690,58-37734,544729,580,60-997,904839,600,71-480,434929,390,63-232,605052,140,76-681,855118,230,32-83523,345247,980,76-488,805320,940,47-21834,745457,500,75-14169,055542,300,74-329,285636,650,69-168,805753,140,77-240,50216Таблица 39 - продолжение5841,980,70-2853,585943,760,75-353,176051,930,76-583,496137,840,70-318,466238,800,69-175,166340,820,72-343,616445,850,70-17914,846533,240,65-410,656659,250,79-526,676745,750,74-553,826839,690,72-207,066949,760,75-123,407031,390,66-187,717152,170,74-800,637250,250,77-514,467337,470,70-427,157444,520,72-142,127541,080,72-385,987648,070,71-18385,387736,950,69-301,257841,620,68-12882,697940,130,72-365,298051,240,77-540,448147,050,75-358,318227,190,52-37568,578325,970,59-138,368447,230,76-436,32217Таблица 39 - продолжение8549,590,75-133,208655,540,77-7258,818741,410,72-492,648832,790,67-206,798955,860,75-672,429041,200,65-26136,799130,300,62-198,589243,080,74-465,369341,630,72-259,529443,810,64-33431,909534,310,68-227,519628,390,62-145,409744,340,71-938,649841,360,70-258,179945,250,75-458,8710053,370,76-615,3810130,070,49-59339,8110240,370,72-393,3710338,730,70-155,2810443,590,74-327,8610548,030,74-7570,0810638,800,70-367,1010732,090,66-148,2210852,220,75-707,7010949,600,77-477,7411056,870,75-12098,8911141,560,72-441,67218Таблица 39 - продолжение11235,280,68-215,8311349,680,75-154,3711443,500,73-251,0911532,700,65-395,2011629,050,63-186,5411748,140,74-563,0811854,810,76-557,2511934,660,57-42018,3812032,120,62-3637,7312142,010,74-278,8112246,580,74-158,6712330,430,64-210,2812454,670,78-275,2012545,900,73-506,1312634,570,68-294,9312746,380,75-474,3612846,210,75-491,68По результатам оптимизации была выбрана модель с гидравлическимКПД 78% и коэффициентом кавитации -221.4.10.
Проведение испытаний макета насоса КВС 400/80Проведение испытаний макета КВС и получение его характеристикявляетсянеобходимымусловиемверификацииданных,полученныхрасчетным путем (как методами классической теории лопастных гидромашин,так и методами гидродинамического моделирования). По результатамиспытаний можно принимать решения о соответствии (или несоответствии)расчетныхданныхэкспериментальнымивозможностиопытного образца насоса в натуральную величину.изготовления219Испытания макета проходили на стенде кафедры Э10 МГТУим.Н.Э.Баумана.Общая наработка макета за время нормальных испытаний составилаоколо 10 часов без учета времени обкатки.В процессе проведения нормальных испытаний каких-либо дефектовмакета выявлено не было, однако из-за выхода из строя вакуумного насосастенда не удалось провести кавитационные испытания, их пришлось отложитьдо изготовления опытного образца насоса на ОАО «ЭНА».Полученная по итогам испытаний нормальная характеристика макетанасоса приведена на Рисунке 4.92.Рисунок 4.92.
Нормальная характеристика макета насоса КВС 400/80Ниже, на Рисунке 4.93, показан результат пересчета характеристикмакета насоса на натурный насос. Пересчет проводился на основе формулподобия лопастных гидромашин, учет масштабного эффекта рассчитан пометодике, взятой из [68].220Рисунок 4.93. Нормальная характеристика насоса КВС 400/80, рассчитаннаяпо результатам испытаний макета4.11. Сравнениеэкспериментальнополученнойнапорнойхарактеристики с результатами расчетаНиже приведены результаты расчета течения жидкости в проточнойчасти макета и сравнение экспериментальных данных с расчетными.Течение однофазной жидкости в проточной части насоса, полученное врезультате моделирования, приведено на Рисунках 4.94 - 4.95.221Рисунок 4.94.
Распределение скоростей в сечении насосаРисунок 4.95. Распределение давлений в сечении насосаРезультаты расчетов и их сравнение с результатами испытанийпредставлены ниже (Таблица 40, Рисунок 4.96).222Таблица 40.Сравнение расчетных и экспериментальных данныхОтклонениеПодача Q,Напор расч. Н, мл/сНапор экспер. Н, мрасчета отэксперимента, %2,471515,53,233,5514,9614,62,474,7212,9413,21,975,912,4811,94,876,4511,310,75,617,719,879,45,008,926,486,16,23181614Напор/ м1210864200246810Подача, л/сРисунок 4.96.
Сравнение результатов моделирования с экспериментальнымиданными (красный – расчет, синий - эксперимент)Из приведенных данных видно, что погрешность результатов расчета понапору не превышает 5%.2234.12. Проведение испытаний опытного образца насоса КВС 400/80Испытания опытного образца насоса КВС 400/80 проводились напредприятии ОАО «ЭНА» (Щелковский насосный завод).
Для проведенияиспытаний использовался испытательный стенд завода и доработаннаязаводскаяметодикапроведенияиспытаний,котораясоответствуеттребованиям ГОСТ 6134-2007.Рисунок 4.97. Опытный образец насоса КВСБыли проведены обкатка, нормальные и кавитационные испытаниянасоса, результаты испытаний изложены ниже.На Рисунках 4.98 и 4.99 показан вид насоса в процессе испытаний наОАО «ЭНА». Насос и рама еще не окрашены, кожух муфты снят.224Рисунок 4.98. Насос КВС 400/80 в процессе испытанийРисунок 4.99.
Корпус насоса КВС 400/80225На Рисунках 4.100 и 4.101 приведена нормальная характеристикаопытного образца насоса КВС 400/80, полученная по итогам испытаний.Рисунок 4.100. Протокол испытаний опытного образца226Рисунок 4.101. Нормальная характеристика опытного образца насоса КВС400/80На Рисунке 4.102 приведена кавитационная характеристика опытногообразца насоса КВС 400/80, полученная по итогам испытаний, и приведеннаяк частоте вращения 2900 об/мин.227Рисунок 4.102. Кавитационная характеристика опытного образца насоса КВС400/80Анализ кавитационной характеристики показывает, что в насосе удалосьдостигнуть критической величины кавитационного запаса 2,2 м, чтосоответствует расчетному значению с точностью до 5 % (расчетное значениесоставляло примерно 2,1 м).
Это соответствует величине кавитационногокоэффициента быстроходности [68] около 2980. Следует отметить, что длянасоса с частотой вращения 2900 об/мин такой коэффициент кавитационнойбыстроходности - довольно значительное достижение, и достигнут онблагодаряприменениюзапатентованного.осецентробежногоколеса,выполненногои2284.13. СравнениерасчетнойиэкспериментальнойкавитационнойхарактеристикиКак в расчете, так и в эксперименте при постоянном расходе на входе внасос 400 м3/ч постепенно снижалось давление на входе, тем самым изменялсякавитационный запас (Рисунок 4.103).При понижении давления на входе в насосе постепенно увеличиваетсявеличина зоны кавитации, что наглядно видно из результатов расчета.
Приразвитии кавитации в межлопастном канале рабочего колеса напор насосарезко падает.Рисунок 4.103. Развитие кавитации в проточной части насоса. Верхнийрисунок соответствует кавитационному запасу 2,25 м, нижний – 2,6 м229На Рисунке 4.104 приведено сравнение кавитационной характеристикиопытного образца насоса КВС 400/80, полученной по итогам испытаний, срасчетной.Рисунок 4.104. Сравнение результатов расчета с экспериментом.Характеристика построена для частоты вращения 2900 об/мин и подачи400 м3/ч. Сплошная линия – расчет, штриховая – эксперимент.230ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.Разработанный метод расчета проточных частей насосов на основеприменения оптимизационных алгоритмов и методов вычислительнойгидродинамикипозволяетхарактеристиками.Методпроектироватьпозволяетнасосыпроводитьсоптимальнымимногокритериальнуюоптимизацию проточных частей насосов различных типов и с различнымнабором параметров.2.Предлагаемая математическая модель позволяет минимизироватьзатраты времени на процесс проектирования.
Сформулированы рекомендациипо выбору основных параметров численной модели (расчетная сетка,граничные условия и пр.)3.Сформулирован критерий оценки кавитационных качеств насоса,который удобно использовать в процессе оптимизации проточных частей покритерию кавитационного запаса. Критерий позволяет сохранить однофазнуюДобавлено примечание ([ST23]): Я бы назвал этоиндексом кавитационного качествамодель, требующую гораздо меньше вычислительных ресурсов, чемиспользование двухфазной модели.4.Эффективностьпримененияметодарасчетанеоднократнопроверялась экспериментально с насосами различных типов и назначений.Результаты испытаний подтвердили, как эффективность метода, так ихорошуюточностьрасчетахарактеристикнасосапредлагаемойматематической моделью.5.методовВ работе показана эффективность применения современныхпрототипированиядляпроведенияэкспериментальныхисследований.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
