Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Современный взгляд на проблему разработки малорасходного герметичного насосного агрегата 21
1.1 Анализ научно-технической литературы 21
1.2.Выбор типа насоса 37
1.2.1. Анализ данных представленных в техническом задании... 37
1.2.2. Влияние свойств перекачиваемой жидкости на выбор типа насоса 40
Глава 2. Расчет и проектирование герметичного вихревого насосного агрегата (ВНА) 42
2.1. Расчет геометрии вихревого насоса 42
2.2. Поверочный кавитационный расчет 46
2.3. Разработка привода насоса 47
2.3.1. Определение типа и требуемых характеристик привода насоса 47
2.3.2. Постановка задачи и расчет магнитной муфты
2.3.3. Динамический расчет запуска насосного агрегата с магнитной муфтой 57
2.3.4. Расчет потерь мощности на токи Фуко в ,~ экране
2.3.5. Расчетное определение геометрических параметров муфты 65
2.4. Описание конструкции ВНА 69
2.4.1. Описание конструкции вихревого насоса 70
2.4.1.1. Расчет баланса осевых сил 72
2.4.2. Описание конструкции магнитной муфты 78
Глава 3. Экспериментальное исследование герметичного вихревого насосного агрегата 80
3.1. Испытательный стенд 80
3.2. Метод обработки результатов 85
3.3. Результаты экспериментальных исследований вихревого насосного агрегата 91
3.3.1. Поправочный коэффициент для напора вихревого насоса 91
3.3.2. Влияние величины торцевого зазора между рабочим колесом и корпусом
на напор вихревого насоса 94
3.3.2. Гистерезис напорной характеристики 97
Глава 4. Улучшение энергетических характеристик вихревого насоса 102
4.1. Оптимизация формы рабочего канала вихревого насоса 102
4.2. Оценка эффективности применения профилированного канала с помощью современных методов численного моделирования 108
4.2.1. Алгоритм оценки 109
4.2.2. Оценка эффекта 115
Выводы 120
Список литературы
- Анализ научно-технической литературы
- Определение типа и требуемых характеристик привода насоса
- Результаты экспериментальных исследований вихревого насосного агрегата
- Оценка эффективности применения профилированного канала с помощью современных методов численного моделирования
Введение к работе
Развитие авиационной и космической техники к настоящему моменту достигло некоего базисного уровня, когда рост качественных характеристик изделий или их тактические показатели улучшаются, в основном, не путем конструктивного или технологического прорыва, а за счет местной модернизации отдельных узлов и агрегатов, либо систем в целом, оставляя принцип действия неизменным. Это связано с множеством причин:
появление рыночных отношений, вследствие изменения политического строя в стране;
- сокращение средств финансирования фундаментальных научных
разработок;
старение научных кадров;
и т.п.
Все эти факторы позволили нашим потенциальным конкурентам, как из ближнего, так и дальнего зарубежья, уделяющим достаточно большое внимание развитию науки, достигнуть весомых результатов в таких отраслях техники, как авиация, космонавтика и др., в которых Россия до последнего времени оставалась лидером и, если так можно сказать, законодателем мод.
Но, несмотря на эти факторы, Россия по-прежнему обладает большим потенциалом научных и технологических разработок, задел которых был сделан в период с 1950-х до 1980 годов. Данные разработки и являются той основой для развития современной техники, которая обладает большим инструментарием, по сравнению с прошлым периодом.
Именно этот инструментарий, в лице современных электронно-вычислительных машин, обладающих большой производительностью, а также постоянно совершенствующихся программ расчета сложных процессов и позволяет дать идеям, рожденным многие годы назад, новую жизнь и применить их на практике.
В ракетно-космической и авиационной технике нашли широкое
применение малорасходные насосы (МН) (Q< 300-10 см/с). Здесь применяются всевозможные типы насосов: от насосов объёмного типа в системах охлаждения и масляных системах, до лопастных и роторных, в питательных установках различных энергетических систем. Требования к ним могут кардинально отличаться, но остаются общие характерные для всех типов насосов:
обеспечение заданных параметров напора и расхода при максимальном КПД;
высокий ресурс работы;
полная герметичность насоса;
высокая надежность;
минимальные габариты, либо осевые, либо радиальные;
минимально возможная масса;
Технологичность и минимальная стоимость.
Кроме указанных требований отдельной графой могут стоять требования по коррозионной стойкости проточной части, способности работать на различных типах жидкости, а так же на смеси жидкости и газа.
Малорасходные насосы значительно отличаются от высокорасходных не только размерами, но и конструкцией основных узлов. Скорость вращения их ротора определяется типом привода и зависит от заданного непрерывного ресурса работы, который может исчисляться от десятков минут до нескольких лет без профилактики и ремонтов [6].
Особенности малорасходных насосов вызывают трудности при их проектировании, отработке и эксплуатации. Исследование процессов в них осложняется проблемами точного измерения малых расходов рабочей жидкости, малых крутящих моментов, малых осевых и радиальных усилий, величин давления, скорости в каналах малых размеров, которые не позволяют вводить датчики в поток. Из-за малых размеров становится значительным влияние технологических погрешностей.
Низкие числа Рейнольдса и большая величина относительной шероховатости обуславливают высокие относительные доли гидравлических, механических и расходных потерь. Удельный вес этих потерь может достигать до 70% от потребляемой мощности насоса.
На практике модернизация различных энергетических систем в авиации и космонавтике несет решение таких задач, как:
- увеличение ресурса работы системы;
- повышение ее надежности;
- уменьшение массы.
Одним из наиболее важных участков любой энергетической системы являются агрегаты подачи. Для сравнения, при экспериментальной отработке современных ракетных двигателей до 70% времени используется на доводку ТНА, поэтому совершенствование этих агрегатов является актуальной задачей. Одним из направлений такой работы является применение динамических в частности вихревых насосов, вместо традиционных центробежных насосов.
0 20 40 60 80 ns
Рис.1 Зависимость кпд насоса от коэффициента
быстроходности:
1- центробежные (парциальные); 2 - дисковые насосы;
3 - центробежные насосы; 4 - вихревые насосы.
По сравнению с центробежными насосами вихревой насос (ВН) компактнее, имеет напор в Зч-9 раз больше [6], при тех же размерах и той же частоте вращения, конструкция его проще и дешевле. Энергетические характеристики ВН в области малых подач выше, чем у остальных динамических насосов (см. рис.1) [6].
Для оценки возможностей этого направления модернизации авиационных и космических систем рассмотрим перспективы применения насосов вихревого типа в различных системах.
В ракетно-космической технике для обеспечения энергией ракет и космических модулей применяют энергетические установки - бортовые источники питания (БИЛ) [3,22] (см. рис.2), которые, для получения электроэнергии, используют принцип действия ЖРД без дожигания генераторного газа. Топливные насосы БИЛ имеют высокие числа оборотов (30000-йОООО об/мин), высокое давление на выходе (20-105-г40-105 Па), но ввиду малых расходов (0,05 10"3-ь0,1 -10"3 м3/с), их коэффициент быстроходности лежит в пределах п5=10ч-30, поэтому достаточно часто для подачи топлива в газогенератор применяют вихревые насосы.
Рис.2 Принципиальная схема жидкокомпонентного бортового источника питания.
1-бак горючего; 2-бак окислителя; 3-насос окислителя; 4 -турбина; 5- насос горючего;
6-газогенератор; 7-регулятор чисел оборотов турбины; 8-электрогенератор; 9-редуктор;
10-стабилизатор напряжения; 11-регулятор соотношения компонентов; 12-регулятор
расхода окислителя; 13-пиростартер; 14-шаробаллон наддува баков;
15-электропневмоклапан; 16-редуктор.
Вихревые насосы имеют ряд преимуществ перед центробежными:
расход топлива в БИЛ лежит в их оптимальном рабочем диапазоне;
они обладают более высоким коэффициентом напора, следовательно, вихревые насосы, при заданных величинах потребного давления, можно сделать меньше по диаметральным габаритам или уменьшить угловую скорость вращения насоса. И то и другое приводит к уменьшению массы агрегата.
Топливная система авиационных двигателей самолетов гражданской авиации включает в себя: насос низкого давления (ННД), насос высокого давления (НВД), пусковой насос (ПН). В газотурбинных двигателях (ГТД) гражданской авиации традиционные схемы НА содержат последовательно соединенные ННД шестеренного типа. Из-за того, что ресурс шестеренных насосов ограничен величиной 15000 ч, а современные центробежные насосы работают с ресурсом 30000 ч, то в данных установках целесообразно использовать НА на базе лопастных насосов. В проекте модернизации данной установки можно предложить в качестве ННД использовать оседиагональный насос, в качестве НВД - центробежный насос, а в качестве ПН - вихревой насос [3,21].
Топливная система авиационных двигателей самолетов военной авиации [3,21] (см. рис.З(а)) состоит из следующих основных узлов: в топливном баке 1 размещается баковый насос 2, который подает топливо в бустерный насос 6, и далее в главный топливный насос 3 двигателя 4. В данной схеме задачей бакового насоса является обеспечение бесперебойной работы главного насоса при изменении высоты и скорости полета.
Недостатком такой системы подачи является то, что, как показывает опыт эксплуатации двигателей, в случае структурного разрушения (попадания в трубопровод осколков снаряда или пули) и последующего разрыва напорного трубопровода 5 из него происходит выброс топлива с последующим возможным возникновением пожара.
К современным топливным системам военных двигателей предъявляется условие: подача топлива в главный насос без бакового насоса. Это принципиально новое требование, которое диктуется повышением живучести летательного аппарата. Насос, установленный и приводимый во вращение от двигателя, должен подавать топливо за счет возможности работы с высоким газосодержанием (см. рис.3 б)) (что относится к достоинствам вихревых насосов). В этом случае при повреждении магистрали, идущей от бака к насосу высокого давления, бустерный насос засасывает в магистраль воздух, и при этом не исключена подача топлива в двигатель. Двигатель продолжает работать на режиме глубокого дросселирования, а летательный аппарат способен выполнить маневр для посадки. Это значительно увеличивает безопасность и надежность всего летательного аппарата.
Для двигателей авиации общего назначения (АОН) применение топливных систем на основе динамических насосов позволит увеличить надежность, межремонтный срок службы, что приведет к снижению стоимости летного часа самолетов, вертолетов и повысит финансовую выгоду за срок службы двигателя по сравнению с существующими двигателями.
Анализ перспективного развития космических энергетических систем (многолетняя работа на орбите космических станций) показывает необходимость модернизации вспомогательных систем (систем охлаждения, рециркуляционные системы и т.п.) космического аппарата для увеличения ресурса работы.
Место разрушения
Рис.3 а) Принципиальная схема топливной системы авиационных двигателей
\ Место разрушения
Рис.3 б) Принципиальная схема топливной системы авиационных двигателей с
самовсасывающим насосом
При начальном проектировании в НПО «Энергомаш» ЖРД РД123 одним из вариантов проработки насоса горючего второй ступени основного ТНА был именно насос вихревого типа, как идеально соответствующий по своим параметрам режимам работы (см. рис. 4). В современных условиях применение данной конструкции центробежно-вихревого насоса позволило бы существенно уменьшить массу насоса горючего, т.к. ввиду большего коэффициента напора вихревого насоса значительно уменьшатся габариты насоса. Конечно такой эффект для маршевых двигателей первой ступени ракетоносителей не существенен из-за низкой доли мощности второй ступени насоса горючего в общем балансе мощностей ТНА, но для двигателей второй и третьей ступеней, выполненных по такой же схеме, такая модернизация может существенным образом сказаться на улучшении массовых характеристик всей ракеты.
Рис 4. Применение вихревого насоса в качестве насоса горючего второй ступени ТНА ЖРД.
В разработке Центра Келдыша по созданию высокоэффективной солнечной энергодвигательной установки с тягой 102-г390 Н для перспективного тягово-энергетического модуля, для межорбитальных полетов, в качестве двигателя предлагается использовать солнечную тепловую двигательную установку с электронагревным тепловым аккумулятором-теплообменником и многорежимным двигателем, способным работать как тепловой ракетный двигатель на горячем водороде, и как ЖРД с дожиганием горячего водорода с кислородом. Насосные агрегаты системы подачи компонентов топлива должны обеспечивать подачу водорода в тепловой аккумулятор и жидкого кислорода в двигатель с расходом 13-10"3-г65-10"3 кг/с и напором 170-гЗОО м. Коэффициент быстроходности таких насосов находится в пределах от 2 до 4, что делает оптимальным применение насосов вихревого типа вместо выбранных поршневых насосов. Применение ВН позволит получить выигрыш по габаритно-массовым характеристикам и увеличит ресурс работы.
V ЦААА^ J
Рис.5 Схема солнечной установки с тепловым ЖРД
1 - бак водорода; 2 - электронасос водорода; 3 - компрессор; 4 - накопительная емкость;
5 - бак кислорода; 6 - электронасос кислорода; 7 - камера сгорания;
8 - фотоэлектрическая батарея;0- - электрохимическая аккумуляторная батарея;
10 - аппаратура преобразования-регулирования;
11 - электронагревный тепловой аккумулятор.
Применение вихревых насосов в ракетной и авиационной технике перспективно, т.к. вихревой насос имеет уникальные характеристики:
коэффициент напора Н вихревого насоса может достигать 1,5-5-2 (на режимах оптимального КПД), в то время, как центробежные, диагональные и другие насосы имеют Н не превышающий 0,65-5-0,7.
КПД вихревого насоса, в области низких значений коэффициента быстроходности (ns =4-5-20), согласно [6] (см. рис.1), выше КПД
остальных динамических насосов.
вихревой насос имеет возможность перехода от работы на однородном топливе к работе на топливе с большим газосодержанием;
вихревой насос способен работать даже при сухом всасывании (входной трубопровод не залит);
- вихревой насос имеет низкий вес, малые габариты, низкую стоимость
В промышленности, вихревые насосы, используются для подачи легколетучих жидкостей (бензина, керосина, спирта) на автозаправщиках, например АТЗ-46123-012 и др., автоцистернах и стационарных раздаточных установках; на химических заводах и комбинатах, где требуется подавать малое количество жидкости при большом напоре; на установках коммунального хозяйства в качестве подпиточных; на передвижных моечных установках.
Отечественная промышленность выпускает вихревые насосы серий ВК, ВКС, ВКО, СВН, ЦБК, СЦЛ, и др. Зарубежные насосы на отечественном рынке представляют такие фирмы, как: Pedrollo, Saer, Speroni, Кра, Wilo и др.
Большинство из указанных насосов имеют коэффициент быстроходности более 10 и имеют ограниченное распространение из-за большого наклона напорной характеристики к оси расхода.
Суммируя вышеизложенное можно сказать, что одной из тенденций в повышении различных характеристик систем летательных аппаратов является замена насосов объемного типа на динамические насосы.
Кроме рассмотренного применения вихревых насосов в авиационно-космических системах отдельно стоит проблема, характерная для других отраслей промышленности, таких как химическая, пищевая и др. Эта проблема разработки надежного малорасходного динамического насоса с параметрами, близкими к насосам объемного типа. Она продиктована особенностями производственного цикла и содержит дополнительные требования по обеспечению коррозионной стойкости, повышению ресурса и обеспечению экологических норм, вплоть до полной герметичности насоса.
Все вышесказанное показывает, что разработка динамического вихревого насоса с параметрами, близкими к насосам объемного типа является актуальной научно-технической задачей. Помимо этого научный интерес представляет поиск надежных методик расчета малорасходных ВН, путей оптимизации их проточной части для повышения энергетических характеристик, а также возможность расширения диапазона работы.
В настоящее время вихревые насосы являются наименее изученными из всех нагнетательных устройств, что связано со сложностью течения жидкости в элементах вихревого насоса. Современное представление о картине течения жидкости в вихревом насосе не дает возможности разработать вихревой насос с КПД больше 40ч-50%. Ограничение широкого распространения в промышленности отчасти связано с отсутствием четких методик расчета.
Целью данной работы является создание высокоэффективного герметичного малорасходного вихревого насосного агрегата с приводом вихревого насоса от электродвигателя через магнитную муфту
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать конструкцию полностью герметичного малорасходного вихревого насоса с коэффициентом быстроходности ns = 4.
Провести экспериментальное исследование спроектированного насоса для определения влияния конструктивных особенностей на его характеристики.
На основе анализа результатов экспериментов сформулировать и решить задачи по уточнению методик расчета и проектирования малорасходных вихревых насосов.
Разработать рекомендации по повышению энергетических характеристик вихревых насосов.
Разработать конструкцию магнитной муфты на постоянных магнитах для передачи крутящего момента с вала электродвигателя на ротор вихревого насоса.
Провести испытания ВНА для подтверждения характеристик ВН, устойчивого запуска магнитной муфты, а также провести ресурсные испытания агрегата.
Научная новизна. В ходе проведенного исследования были получены следующие основные результаты:
сформулированы и подтверждены практически требования к расчету и проектированию малорасходных вихревых насосов;
разработан алгоритм расчета рабочего канала вихревого насоса переменного сечения.
разработан полностью герметичный малорасходный вихревой насосный агрегат, включающий в себя вихревой насос с ns = 4;
решена задача по расчету и разработке магнитной муфты, а также по определению условий для ее надежной работы;
Достоверность результатов исследования. Разработанная методика расчета рабочего канала переменного сечения вихревого насоса подтверждена численным моделированием и последующим сопоставлением полученных результатов с результатами испытания агрегата.
Практическая значимость данной работы состоит:
в разработке полностью герметичного и, следовательно, экологически чистого малорасходного вихревого насосного агрегата с возможностью перекачивания любых агрессивных и сильно токсичных жидкостей;
в выработке рекомендаций по расчету и проектированию малорасходных вихревых насосов с низким коэффициентом быстроходности ns;
в разработке методики расчета рабочего канала переменного сечения для улучшения энергетических характеристик вихревого насоса.
в выработке рекомендаций для обеспечения устойчивого запуска магнитной муфты, используемой для передачи крутящего момента от вала привода на ротор насоса;
Результаты работы доложены на:
XXV Российской школе по проблемам науки и технологий и XXXV уральском семинаре по механике и процессам управления посвященных 60-летию Победы. ЮУрГУ г.Миасс 2005г.
XXXI академических чтениях по космонавтике, посвященных 100-летию со дня рождения академика С.П.Королёва. МГТУ им. Н.Э.Баумана 30.01.07-02.02.07.
Анализ научно-технической литературы
Вихревые насосы впервые были разработаны в 1920 году в Германии (открытого типа) (см. рис.б(а)) и США (закрытого типа) [7] (см. рис.б(б)). Данный тип лопаточной машины значительно уступает по количеству теоретических и экспериментальных исследований центробежному насосу. Это в первую очередь связано с ограниченной областью применения вихревых насосов, со сложностью течения жидкости в каналах вихревого насоса, с отсутствием возможности, в период активного изучения этого типа насосов (1950-1970 г.), трехмерного расчета течения жидкости во вращающихся каналах с помощью быстродействующих компьютеров, наличие насосов объемного типа при тех же коэффициентах быстроходности.
Из обзора существующих теорий течения жидкости в вихревом насосе следует, что известные теории отличаются друг от друга при близких допущениях, принятых в выборе механизмов движения жидкости и передаче энергии. Это свидетельствует об ещё не устоявшемся взгляде на картину течения жидкости и принципе работы самого вихревого насоса. Анализ серийно выпускаемых вихревых и центробежно-вихревых насосов (в 1942 году был выпущен первый в СССР вихревой насос, тогда он назывался лопастной насос) типа ВК, ВКО, ВКС, СВН, СЦЛ, ЦВК, АСВН и др., свидетельствует, что из-за отсутствия методик расчета эти насосы создавались путем проведения большого числа экспериментальных исследований на значительном количестве вариантов изготовленных насосов.
Рассмотрим и проанализируем основные теории вихревых насосов, изложенные в литературных источниках.
Подробный обзор теорий течения в каналах вихревых насосов приводится в работе [7], в которой О.В. Байбаков исследует гипотезу рабочего процесса, основанную на возникновении продольного вихря при прохождении жидкости через рабочее колесо и поперечного вихря, возникающего при входе жидкости в рабочее колесо. Продольным вихрем автор называет кольцевые токи, которые возникают из-за разности центробежных сил, действующих на частицу жидкости в канале и в рабочем колесе, поперечным вихрем автор называет вихрь, который образуется из-за отрыва набегающего потока от лопатки рабочего колеса при большом угле атаки. Энергия от рабочего колеса передается жидкости при помощи продольных и поперечных вихрей, в результате турбулентного обмена частиц жидкости в рабочем канале и в колесе. Опыты, проведенные О.В. Байбаковым, показывают, что передача энергии происходит более интенсивно продольными вихрями, чем поперечными. К сожалению, автор не приводит картины течения жидкости в изометрии и не дает траектории движения жидкости в вихревом насосе от входа до выхода из насоса.
На основании уравнений моментов количества движения, автор получает формулу для напора, сообщаемого жидкости в результате вихревого рабочего процесса. Для решения уравнения, автор находит закон изменения меридиональной и окружной скорости vm и vu вдоль выходной и входной кромки лопатки рабочего колеса. Для определения скорости vu на входе в рабочее колесо О.В.Байбаков, в первом приближении, принимает, что средняя окружная скорость на всех струйках одинакова и равна vu=Qi/F (Qk -расход жидкости в конце канала, который больше подачи насоса Q на утечки через перемычку, F-площадь сечения канала,) на основании чего скорость vu принято в первом приближении равной vm. Автор принимает закон изменения vu вдоль меридиональной проекции линии тока в канале линейным. За расчетную струйку автор принимает струйку, которая на выходе из рабочего колеса делит расстояние от центра тяжести канала до его наружной стенки в отношении 2:1. Автор пренебрегает разницей меридиональных скоростей на входе и на выходе из рабочего колеса и получает статический напор колеса:
Определение типа и требуемых характеристик привода насоса
В источнике [7] не ясно, как определить сг}1 применительно к нашему насосу, поэтому величина Оц была принята равной Уц =к- 7ц исходя из полученных больших значений Оц =3 по испытанным насосам в [7] с коэффициентом запаса к=1,2. Рассчитанный таким образом критический кавитационный запас равен А/гк„=5,4, что соответствует критическому входному давлению на воде Ркр = 1,54 10 Па.
Согласно техническому заданию на разработку насоса необходимо обеспечить минимальную утечку компонента (1-Ю"2 л-мкм-рт.-ст./с при проверке воздушно-гелевой смесью), но принимая во внимание сильную токсичность перекачиваемой жидкости (состав см. табл. 4) оптимальным является полная герметичность насосной полости и полное отсутствие утечек жидкости в атмосферу.
Анализ существующих видов уплотнений по валу, применяемых в «НПО Энергомаш» (уплотнения по валу ТНА), а также уплотнений, применяемых в других отраслях промышленности, показал, что в настоящее время наиболее распространены торцевые уплотнения.
Ведущие производители таких уплотнений гарантируют их безаварийную работу, для неагрессивных сред, на срок до трех лет. Однако это достигается за счет применения дорогих антифрикционных материалов, высокоточной обработки, а пара трения притирается не хуже 10-гП класса точности с неплоскостностью на уровне 1- 2 интерференционных полос [29].
В результате стоимость такого торцевого уплотнения может достигать до 25- 60% стоимости насоса. При этом проведение регламентных работ, установка и замена уплотнения должна выполняться высококвалифицированными рабочими с применением специальной оснастки. Помимо указанного, торцевые уплотнения не обеспечивают полной герметичности уплотняемой полости, а химическая агрессивность перекачиваемой жидкости не позволяет применять в качестве уплотнений традиционные материалы (резина, сталь и др.).
Поэтому был начат поиск другого решения, позволяющего обеспечить полную герметичность насосной полости.
Одним из альтернативных путей повышения надежности насосных агрегатов является отказ от применения вала, соединяющего привод с рабочим колесом насоса и, следовательно, от необходимости его уплотнения путем использования магнитной муфты с экраном.
Известны конструкции насосных агрегатов, в которых используются электрические магниты, отличающиеся достаточно высокой сложностью в изготовлении и сборке, необходимостью применения токосъемников. Поэтому основным направлением был выбран анализ возможности передачи крутящего момента с вала электродвигателя на вал насоса с помощью магнитной муфты на постоянных магнитах.
В рассматриваемой нами возможности применения магнитной муфты имелись ряд трудностей технического характера, которые могли свести на нет все положительные качества от её применения. К ним относятся: нестабильный запуск установки, сложность технического обслуживания, дороговизна магнитного материала и т.п. В конструкции самого насоса также должны быть проведены значительные изменения в сравнении с традиционной компоновкой, т.к. с применением глухой стенки (экрана), утечка химически агрессивного компонента закольцовывается внутри насоса, а это делает невозможным применение обычных подшипников качения, появляются определённые сложности при сборке (обеспечение требуемого зазора между РК и корпусом насоса) и разборке (снятие магнитной муфты) насоса. Кроме того, отсутствие чёткой методики расчета магнитных муфт ставило задачу ее проектирования в разряд самостоятельной научной задачи, в положительном решении которой не было гарантии.
Результаты экспериментальных исследований вихревого насосного агрегата
По рабочей характеристике при VH =0,285-103 м3/с был получен напор насоса равный Нн«43 м, что в 3,8 раза меньше требуемого. По кавитационной характеристике при VH =0,095-10-3 м3/с значение критического давления оказалось равным ЛР,ф=1,5-105 Па. Сравнение полученной в результате эксперимента рабочей характеристики насоса с имеющимися экспериментальными характеристиками вихревых насосов, приведенных в [7], показало, что испытуемый насос имеет очень низкий коэффициент напора її=4. Анализ причин, по которым насос не выдает требуемые расчетные параметры, показал, что наиболее вероятной причиной столь низкого напора могут являться неучтенные при расчете геометрии насоса большие величины утечек, через торцевой зазор между рабочим колесом и корпусом. В связи с этим, для подтверждения данного предположения было решено доработать насос, заглушив перепускные отверстия, по которым утечки сбрасываются на вход в насос, и в таком виде провести повторное испытание насоса. Результаты данного испытания представлены на рис.25. Как видно из представленных материалов, по рабочей характеристике при номинальном расходе Vlt =0,285-10-3 м3/с и Рвх=2,5-105Па насос имеет напор Нц=170 м, что соответствует заданным параметрам.
Так как изменение конструкции не всегда оправдано с точки зрения получения возможных конструктивных недостатков (в нашем случае это уменьшение расхода для работы и охлаждения гидродинамического подшипника), было бы желательным на этапе проектирования насоса учесть возможное снижение напора, связанное с утечками, которые в малорасходных насосах, согласно [6], могут достигать 70%.
Анализ результатов испытаний насоса показал, что на этапе проектирования ВН за расчетную величину напора следует принимать напор, равный
Нрасч=к НТЗ т№ к - поправочный коэффициент, определяемый после предварительной конструкторской проработки по величине утечек Qyr закольцованных внутри насоса. В первом приближении коэффициент к рекомендуется определять по формуле к = \ + Ут/ . Для разработанной конструкции ВН к=1,4. сил. Особенно существенны эти проблемы при разработке и изготовлении ВН с низкими значениями коэффициента быстроходности ns.
В нашем случае ВН обеспечивал требуемые параметры при величинах торцевого зазора 8т=0,02-г0,03 мм, а для разгрузки рабочего колеса от действующих осевых сил использовалось авторазгрузочное устройство. При невыполнении условия обеспечения малых торцевых зазоров можно не получить заданные параметры или иметь большой разброс напоров насоса (см. рис.26). Если указанные торцевые зазоры получить не возможно, то можно пойти на уменьшение КПД насоса за счет изменения проточной части насоса, которое учитывало бы увеличенные утечки за счет больших торцевых зазоров.
Попытка оценить это влияние с помощью имеющихся литературных данных показала довольно узкий диапазон совпадения методики определения падения напора в зависимости от величины торцевого зазора (см. рис 27)), предлагаемой О.В.Байбаковым [7] с экспериментальными данными (в диапазоне величины зазора от 0,02ч-0,04 мм).
Проведенный нами анализ тесно связан с изучением явления гистерезиса (см. ниже), что позволило предложить методику сравнительной оценки выбора оптимальной величины зазора 5т для конкретной конструкции насоса.
Методика основана на предварительной оценке утечек qi через различные элементы насоса (авторазгрузочное устройство, гидродинамический подшипник, лабиринтные уплотнения и т.п.) и сравнении их с величиной утечек qT через торцевой зазор 8т при различных величинах его значения.
Дополнительными испытаниями спроектированного насоса установлено следующее: - если qT
Оценка эффективности применения профилированного канала с помощью современных методов численного моделирования
Методики оценки эффективности предложенных конструктивных и технологических мероприятий с помощью методов численного моделирования нашли широкое применение в авиации, космонавтике, автомобилестроении и в настоящее время достигли большого совершенства в моделировании реальных процессов (вплоть до моделирования ядерных взрывов). Данный метод позволяет на уровне компоновочного решения проводить вариационную выборку практически по любому параметру проектируемого агрегата. Кроме вышеуказанных достоинств можно отметить, что применение математического моделирования существенно сокращает время НИОКР и, как следствие, уменьшается стоимость первого экземпляра изделия.
Это направление сегодня стремительно развивается, появляются более мощные процессоры, постоянно совершенствуются расчетные программы, но фундаментальные принципы остаются неизменными. В частности, большинство ведущих производителей расчетных программ для описания сложных течений жидкости и газа используют уравнение Навье-Стокса с рейнольдсовым усреднением пульсационных составляющих параметров течения жидкости, вызванных турбулентностью. Эти уравнения решаются численным методом конечных объемов с подвижными границами.
К недостаткам данного метода можно отнести определенную долю недостоверности результатов, обусловленную степенью детализации конструкции и допущениями, принятыми в расчете. Кроме этого важным фактором является достаточная продолжительность расчета, которая зависит от шага по времени и для течений средней сложности не может быть менее 3-г4 часов (для грубой оценки). Но, поскольку, быстродействие процессоров ЭВМ постоянно увеличивается, можно считать эту проблему временной.
В качестве базовой расчетной программы нами была выбрана программа StarCD, которая зарекомендовала себя, как надежная программа с приемлемой точностью для инженерных расчетов, кроме того, ее цена значительно ниже аналогов (Fluent, Flow_vision и др.).
Располагая определенным багажом экспериментальных данных, нами был предложен следующий алгоритм (методика) использования систем САПР для моделирования сложных гидравлических течений: 1) Создание 3D модели проточной части проектируемого насоса. 2) Построение расчетного алгоритма для вихревого насоса и определение возможных допущений. 3) Сравнение полученных расчетных данных с данными эксперимента. 4) Разработка 3D модели с профилированным рабочим каналом. 5) 3D моделирование перетекания жидкости по длине рабочего канала ВН. 6) Оценка эффективности выдвинутых предположений. 1) Создание 3D модели проточной части проектируемого насоса.
Для создания трехмерной модели проточной части вихревого насоса использовалась известная программа Solid Work s. Для упрощения расчетной схемы и уменьшения времени расчета была построена только проточная часть насоса (см. рис.36)
Как видно из рисунка 42, применение профилированного канала приводит к повышению напора ВН, причем наиболее это заметно для расходов Q QHOM такое поведение характеристики можно объяснить уменьшением влияния величины утечки при увеличении расхода через насос. Если экстраполировать результаты математического моделирования в область расходов Q Q„0M видно практически полное совпадение расчета и эксперимента, что еще раз подтверждает достоверность выбранной математической методики. Кроме этого можно отметить увеличение угла наклона напорной характеристики ВН к оси расхода, что не может положительно не сказаться на возможностях его регулирования, а, следовательно, расширении области применения.
Кроме указанного сравнения напорных характеристик проведено сравнение эпюр скоростей (см. рис.43(а, б)) и давлений (см. рис.44 (а, б)) в среднем сечении рабочего канала.
Исследование поля скоростей подтверждает предложенную гипотезу об уменьшении сопротивления образованию продольного вихря за счет компенсирования перетекания жидкости по длине рабочего канала изменением его эффективной площади. На рис.43 (б) поле скоростей более равномерное, по сравнению с полем на рис.43 (а), отсутствует перемешивание жидкости, исключено разбиение продольного вихря между рабочим колесом и рабочим каналом. Из представленных рисунков видно, что общий уровень скоростей жидкости в профилированном канале приблизительно в два раза меньше, чем в канале стандартного профиля, что позволяет надеться на дополнительное уменьшение потерь, на гидравлическое трение, доля которого в малорасходных насосах существенна из-за высокой доли относительной шероховатости [6].
Исследование поля давлений также подтверждает предложенную гипотезу. Поле давления в профилированном рабочем канале (см. рис.44 (а)) более однородное, по сравнению с каналом стандартного сечения (см. рис.44(б)), переходы, между областями давлений более плавные, отсутствуют локальные зоны повышенного давления. И все это наблюдается на фоне более низкого уровня давления в рабочем канале.