Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время в гидромеханических системах различного назначения нашли широкое применение комбинированные насосные агрегаты (КНА), состоящие, как правило, из шнекоцентробежной (ШЦС) и шестеренной ступеней (ШС).
Шестеренные ступени, входящие в состав КНА, являются подкачивающими насосами, служащими для обеспечения многорежимной работы машин. При этом зачастую необходимо обеспечить изменение расхода рабочей жидкости в широком диапазоне при незначительно изменяющихся оборотах вала насоса. Для этого помимо напорной и питающей магистралей на входе в насос дополнительно устанавливают сливные и перепускные магистрали, что приводит к созданию дополнительной значительной окружной неравномерности распределения параметров потока перед шнеком. Всё это приводит к работе ШС на нерасчётных режимах и к интенсификации кавитационных процессов, часто носящих скрытый характер. Общеизвестно, что работа КНА осложняется наличием растворённого газа в рабочей жидкости. На определённых режимах работы КНА возможно выделение газа из рабочей жидкости. При этом рабочая жидкость представляет собой двухфазную среду и содержит свободный воздух. Наличие газовой компоненты в рабочей жидкости нередко приводит к повышению нагружения элементов КНА, наиболее ответственными и одновременно наименее надёжными из которых являются подшипники. Описанные явления позволяют утверждать, что КНА являются основными источниками колебаний давления и вибраций в системах и в тоже время сами испытывают значительные динамические нагрузки, связанные с работой присоединённых систем. Поэтому актуальной и важной темой исследования является разработка методики исследования и средств снижения динамической нагруженности КНА.
Степень разработанности темы. Несмотря на значительное количество работ в области исследования динамической нагруженности насосных агрегатов, на сегодняшний момент времени отсутствуют работы по численному моделированию ШЦС КНА, в которых учитывается взаимодействие ШЦС и ШС. Отсутствуют методики проведения численного анализа кавитационных процессов в ШЦС, позволяющие прогнозировать её энергетические и кавитационные характеристики, а также прогнозировать нагруженное состояние элементов насоса в случае попадания свободного воздуха. До сих пор нет достаточных сведений о нестационарных пульсациях давления и нестационарном нагружении лопаток ШЦС. Вместе с тем проектирование ШЦС КНА достигло того уровня, при котором только детальное представление течения потока в нём даёт возможность повысить его энергетические и кавитационные характеристики. Таким образом, для повышения надёжности КНА необходима разработка средств, позволяющих снизить их динамическую нагруженность, а также создание методов, позволяющих прогнозировать нагруженное состояние их основных элементов на различных режимах работы. Необходимо математическое и экспериментальное исследование механизмов взаимодействия элементов насосного агрегата с учётом протекающих в нём кавитационных процессов и наличия нерастворённого газа. В связи с ранее сказанным разработка методики исследования и средств снижения динамической нагруженности КНА являются важными и насущными задачами.
Цели и задачи работы. Целью работы является разработка методики исследования динамической нагруженности КНА и средств её снижения на основе физического и численного моделирования рабочих процессов течения многокомпонентной жидкости, состоящей из керосина, его паров и воздуха.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:
анализ взаимодействия ШС и ШЦС, выявление основных причин, приводящих к динамической нагруженности элементов КНА, анализ методов прогнозирования энергетических и кавитационных характеристик шнекоцентробежных насосов;
анализ методов и средств снижения динамической нагруженности шестеренных и шнекоцен-тробежнных насосов;
разработка численной модели ШЦС КНА для прогнозирования её напорной характеристики, характеристики по КПД и кавитационной характеристики. Верификация разработанной модели;
разработка методики моделирования структуры течения рабочей жидкости с целью определения локальных источников нагружения конструктивных элементов ШЦС;
разработка методики расчёта динамического нагружения конструктивных элементов ШЦС при
её работе на многокомпонентной рабочей жидкости;
разработка мероприятий по снижению динамических нагрузок в комбинированных насосных агрегатах гидромеханических систем и определение их эффективности. Научная новизна.
-
Разработана математическая модель, описывающая рабочие процессы в ШЦС КНА, учитывающая гидродинамическое воздействие ШС, и позволяющая одновременно получать энергетические и кавитационные характеристики ШЦС. При этом для описания кавитационных процессов используется модель, основанная на модифицированном уравнении Рэлея-Плесетта, которое учитывает зависимость вязкости и плотности жидкости от её температуры и давления.
-
Разработана методика определения гидродинамического нагружения элементов ШЦС для случая её работы на многокомпонентной жидкости. Методика учитывает влияние ШС, а также взаимодействие компонентов рабочей жидкости. Показана перспективность её использования для численного исследования влияния на нагруженное состояние элементов ШЦС нерастворённого воздуха, попадающего в её питающую магистраль.
-
Создано и обосновано положение об акустико-вихревом резонансе рабочих колёс ШЦС, что позволило разработать математическую модель акустико-вихревого резонанса рабочих колёс ШЦС, позволяющую определять местные источники интенсификации нагружения ступени во всём диапазоне её рабочих режимов.
-
Разработаны конструктивные мероприятия, позволяющие снизить динамическую нагружен-ность КНА за счёт одновременного устранения обратных токов на входе в ШЦС, а также разбиения потоков рабочей жидкости из сливных и перепускных магистралей на серию более мелких без изменения конфигурации и конструкции внешней обвязки насосного агрегата; разработан алгоритм выбора их конструктивных параметров в зависимости от геометрических и рабочих параметров КНА.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что:
разработаны математические модели, позволящие определять с высокой точностью энергетические и кавитационные характеристики ШЦС, входящих в состав КНА, а также определять их нагруженное состояние в случае попадания различной объёмной доли свободного воздуха в питающую магистраль агрегата без проведения опытно-промышленных испытаний;
разработана модель акустико-вихревого резонанса, позволяющая определять причину местных источников высокочастотного нагружения элементов КНА.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработаны конструктивные мероприятия, обеспечивающие снижение динамических нагрузок, действующих на насосный агрегат;
определена основная причина разрушения осевого радиально-упорного подшипника ШЦС КНА, заключающаяся в попадании воздуха в питающие трубопроводы агрегатов;
исключено проведение специальных опытно-промышленных испытаний КНА по определению их энергетических и кавитационных характеристик;
предложенные методики исследования динамической нагруженности КНА и конструктивные средства снижения их динамической нагруженности использованы при выполнении опытно-конструкторских работ на ОАО «КУЗНЕЦОВ» (г. Самара) и НПП «ТЕМП им. Ф. Короткова» (г. Москва). Основополагающие материалы диссертации используются в учебном процессе СГАУ.
Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решены на основе методов вычислительной гидродинамики и анализа экспериментальных данных. При экспериментальном исследовании использовался спектрально-корреляционный анализ, метод лазерного ножа и высокоскоростная видеосъемка.
Объектом исследования являются рабочие процессы топливных КНА, состоящих из ШЦС и ШС. Предметом исследования являются методики исследования динамической нагруженности КНА, а также средства, направленные на её снижение. Положения, выносимые на защиту.
математическая модель рабочих процессов ШЦС КНА, позволяющая одновременно получать энергетические и кавитационные характеристики ШЦС и учитывающая: - двухфазность рабочей жидкости;
гидродинамическое воздействие ШС; гидродинамическое влияние присоединённых трубопроводов; результаты экспериментальных исследований по подтверждению адекватности и точности разработанной математической модели рабочих процессов ШЦС КНА;
методика численного определения гидродинамического нагружения элементов ШЦС для случая её работы на многокомпонентной жидкости (жидкая и газовая фазы, а также воздух), позволяющая учитывать её конструктивные особенности и влияние ШС; результаты экспериментальных исследований по подтверждению адекватности предложенной методики и модельных представлений; результаты экспериментальные исследований по оценке виброакустического состояния КНА для установления причин их повышенной динамической нагруженности;
положение об акустико-вихревом резонансе рабочих колёс ШЦС, позволяющее определять местные источники интенсификации нагружения ступени во всём диапазоне её рабочих режимов, возникающие из-за совпадения собственных частот колебаний шнека, центробежного колеса, частоты срыва вихрей с лопаток и частот колебаний, вызванных ШС, для чего создана математическая модель акустико-вихревого резонанса рабочих колёс ШЦС;
конструктивные мероприятия, направленные на снижение динамической нагруженности КНА за счёт изменении входного участка ШЦС и одновременного устранения обратных токов на входе в ШЦС, а также разбиения потоков рабочей жидкости из сливных и перепускных магистралей на серию более мелких без изменения конфигурации и конструкции внешней обвязки насосного агрегата; алгоритм выбора параметров конструктивных мероприятий в зависимости от геометрических и рабочих параметров КНА.
Достоверность результатов. Достоверность результатов математических исследований рабочих процессов в комбинированных насосных агрегатах подтверждена расчётно-аналитическими средствами и проведёнными диссертантом экспериментами в опытно-промышленных условиях.
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на конференциях: 59 научно-технической студенческой конференции СГАУ, Самара, 2008; МНТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» СГАУ, Самара, 2009; ВНК X Королевские чтения, Самара, 2009; XIII ММНПК, Днепропетровск, 2011; XIV МНК, посвященной памяти академика М. Ф. Решетнева, Красноярск, 2011; IV Общероссийской МНТК «Молодежь. Техника. Космос», Санкт-Петербург, 2012; IX Международной научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин», посвященной 55-летию со дня основания «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», Казань, 2012; International Scientific-Technical Conference «Hydraulics and Pneumatics 2012», Wroclaw, 2012; Международной научно-технической конференции с участием молодых учёных «Динамика и виброакустика машин», Самара, 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 7 работ в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 131 наименований. Основное содержание работы изложено на 169 страницах (включает 149 рисунков и 15 таблиц).
