Рис. 4. Эскиз, описывающий спираль и переводной канал (а) и обрезка твердотельной модели заготовки с помощью полученного эскиза (б)

Авторы: С.Г. Валюхов (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»),
Е.М. Оболонская (ОАО «Турбонасос»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №12/2015

В настоящее время при проектировании насосов для сокращения количества испытаний, времени и средств разработчиков успешно применяются методы гидродинамического моделирования трехмерного течения жидкости (например, программный комплекс Ansys CFX). С целью повышения энергетических характеристик (КПД, мощность) центробежного насоса широко используется вариантное проектирование – многократная оценка расчетных характеристик насоса с различными геометрическими параметрами, позволяющая найти параметры, обеспечивающие наилучшие характеристики. Исследования в этом направлении целесообразно проводить путем введения изменений геометрической формы проточной части в методы расчета трехмерного течения жидкости.

Цель настоящей работы – разработка виртуальной модели проточной части центробежного насоса типа МНН, позволяющей решать CFD-задачу и включающей:

  • геометрическую модель (CAD-модель) центробежного колеса, импортированную из других CAD-систем;
  • параметризованную CAD-модель направляющего аппарата (НА) и двухзаходного спирального отвода трапецеидальной формы со скругленными углами.

Структурная схема предлагаемой CFD-задачи представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема предлагаемой CFD-задачи
Рис. 1. Структурная схема предлагаемой CFD-задачи

Построение параметризованной геометрии лопаточного направляющего аппарата и двухзаходного спирального отвода

Для 3D-моделирования отвода и направляющего аппарата необходимы исходные данные, отражающие полную геометрическую форму проточной части, полученные в результате проектировочного расчета.

В качестве параметров направляющего аппарата определены следующие геометрические размеры:

  • радиус начальной окружности R3, мм;
  • угол установки лопатки НА на входе потока α3л, град;
  • угол установки лопатки НА на выходе потока α4л, град;
  • ширина НА на входе b3, мм;
  • ширина НА на выходе b4, мм;
  • толщина лопатки σ, мм;
  • число лопаток Z, шт.

В качестве параметров отвода определены следующие геометрические размеры [1, 2]:

  • радиус начальной окружности спирали R4, мм;
  • начальная ширина спирали b5, мм;
  • высота расчетного сечения Hp, мм;
  • угол стенки спирали α, град;
  • радиус скругления трапеции в расчетном сечении Rp;
  • коэффициент диффузорности канала;
  • толщина разделительного ребра между спиральной частью и переводным каналом δ, мм;
  • длина диффузора Lд , мм;
  • диаметр на выходе диффузора Dдиф, мм;
  • угол установки языка β, град.

Равномерное распределение расхода по окружности входа в спиральный канал обеспечивается тем, что меридиональные сечения рассчитывают исходя из условия [3]

где Qϕ – расход через меридиональное сечение спирального канала, проведенное под углом ϕ к начальной плоскости; Q – расход через насос.

Высота ϕ-го сечения Hϕ определяется из решения системы уравнений:

где Sϕ – площадь сечения спирального канала, расположенного под углом ϕ к начальной плоскости; f(r) – функция, описывающая профиль сечения спирали; Sр – площадь расчетного сечения:

Формирование трехмерных параметрических моделей двухзаходных спиральных отводов можно проводить разными способами. Один из способов [1] основан на профилировании сечений спирального отвода и переводного канала с помощью параметрических эскизов, по которым «вытягивают» поверхность, описывающую отвод (рис. 2).

Рис. 2. 3D-модель отвода, построенная по набору эскизов
Рис. 2. 3D-модель отвода, построенная по набору эскизов
Рис. 3. Базовый эскиз поперечного сечения отвода
Рис. 3. Базовый эскиз поперечного сечения отвода
Рис. 4. Эскиз, описывающий спираль и переводной канал (а) и обрезка твердотельной модели заготовки с помощью полученного эскиза (б)
Рис. 4. Эскиз, описывающий спираль и переводной канал (а) и обрезка твердотельной модели заготовки с помощью полученного эскиза (б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Недостатком такой модели является большая трудоемкость и слабая «надежность». Каждая модель способна параметрически изменять геометрию с сохранением топологии только в определенном диапазоне параметров. При выходе параметров из этого диапазона топология модели может нарушаться.

Рис. 5. Эскиз, описывающий профиль «ребра» между второй спиралью и переводным каналом двухзаходного отвода (а) и формирование «ребра» в твердотельной модели заготовки с помощью полученного эскиза (б)
Рис. 5. Эскиз, описывающий профиль «ребра» между второй спиралью и переводным каналом двухзаходного отвода (а) и формирование «ребра» в твердотельной модели заготовки с помощью полученного эскиза (б)
Рис. 6. Эскиз скруглений переменного радиуса для тел, описывающих спираль и переводной канал
Рис. 6. Эскиз скруглений переменного радиуса для тел, описывающих спираль и переводной канал
Рис. 7. Создание тела диффузора вытягиванием эскиза
Рис. 7. Создание тела диффузора вытягиванием эскиза
Рис. 8. Эскиз, описывающий профиль лопатки НА
Рис. 8. Эскиз, описывающий профиль лопатки НА

Предлагаемый авторами способ заключается в следующем. 1. Создание базового эскиза поперечного сечения отвода по заданным геометрическим параметрам и тела вращения на его основе (рис. 3). 2. Создание эскиза, описывающего спираль и переводной канал (рис. 4). Высота спирали в каждой точке рассчитывается исходя из равномерного распределения расходов – формула (2). Обрезка твердотельной модели заготовки с помощью полученного эскиза. 3. Создание эскиза, описывающего профиль «ребра» между второй спиралью и переводным каналом двухзаходного отвода (рис. 5). Формирование «ребра» в твердотельной модели заготовки с помощью полученного эскиза. 4. Создание скруглений переменного радиуса для тел, описывающих спираль и переводной канал (рис. 6). 5. Создание эскизов проекции расчетного сечения спирали и переводного канала и эскиза выходного сечения диффузора (рис. 7). Создание тела диффузора вытягиванием эскиза. 6. Создание эскиза, описывающего профиль лопатки НА. Формирование лопатки НА по полученному эскизу и ее размножение (рис. 8).

При изменении параметров отвода и НА происходит автоматическое перестроение параметрической модели в соответствии с деревом ее построения. Сначала изменяется форма заготовки, затем новое положение принимают точки, соответствующие высотам спирали и переводного канала. Связанные с вершинами сплайны, принимая новое положение, формируют поверхность, ограничивающую отвод, с новыми параметрами. Потом перестраиваются диффузор и лопатки НА.

Разработанная авторами параметрическая модель является более устойчивой к изменению геометрических параметров и более легкой в построении.

Технология трансляции геометрической информации из CAD-модели колеса, созданной во внешнем CAD-пакете, в сеточный препроцессор ANSYS TurboGrid

Для CFD-расчета геометрия проточной части насоса должна быть представлена сеткой контрольных объемов.

Для проведения более точного и быстрого расчета расчетные зоны CAD-модели проточной части насоса должны иметь преимущественно структурированную расчетную сетку, состоящую из шестигранников, хотя в случае сложной геометрии (например, двухзаходный отвод) возможно создание неструктурированной сетки из четырехгранников.

Сеточный препроцессор ANSYS TurboGrid позволяет создавать структурированные сетки для рабочего колеса насоса, но для этого требуется предварительная подготовка геометрии, созданной во внешнем CAD-пакете.

Рис. 9. CAD-модель колеса с созданными характерными сечениями
Рис. 9. CAD-модель колеса с созданными характерными сечениями
Рис. 10. Структурированная сеточная модель колеса
Рис. 10. Структурированная сеточная модель колеса
Рис. 11. Расчетная модель проточной части насоса в ANSYS СFX-Pre
Рис. 11. Расчетная модель проточной части насоса в ANSYS СFX-Pre
Рис. 12. Распределение скоростей в сечении НА и отвода
Рис. 12. Распределение скоростей в сечении НА и отвода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для предварительной подготовки геометрии к трансляции используется ANSYS BladeModeler. Подготовка импортированной CAD-модели колеса (рис. 9)включает следующие этапы:

  • импорт геометрии в ANSYS BladeModeler;
  • определение характерных сечений по высоте лопатки;
  • создание Flow Path – контура проточной части с помощью ассоциации всех эскизов в соответствии с их локализацией;
  • создание слоев Layer – характерных сечений по высоте лопатки;
  • извлечение точек поверхности лопаток с помощью операции Export Points;
  • генерация опорных профилей – результат пересечения характерных сечений с поверхностями лопатки;
  • экспорт точек профиля в ANSYS TurboGrid.

На рис. 10 представлена полученная в ANSYS Turbo-Grid структурированная расчетная сетка рабочего колеса.

Для создания расчетной модели проточной части центробежного насоса в ANSYS СFX-Pre загружаются созданные сетки колеса (ротора) и отвода с НА (статора) и задаются граничные условия, параметры моделируемого процесса, интерфейс между ротором и статором и настройки решателя.

На рис. 11 показана полученная расчетная модель проточной части насоса с приложенными граничными условиями и созданным интерфейсом между ротором и статором.

На рис. 12 представлено распределение скоростей в лопаточном НА и отводе, полученное при проведении расчета в ANSYS Solver.

Полученная виртуальная модель проточной части центробежного насоса может применяться для проведения гидродинамических исследований лопаточного направляющего аппарата и двухзаходного спирального отвода центробежного насоса с целью улучшения их характеристик методом прямой оптимизации.

Список литературы

  1. Валюхов С.Г., Оболонская Е.М. Разработка математического аппарата для построения параметризированной 3-D модели двухзаходного спирального отвода//Насосы. Турбины. Системы. 2013. №4.
  2. Ломакин В.О., Щербачев П.В., Тарасов О.И., Покровский П.А., Семенов С.Е., Петров А.И. Создание параметризированных 3Dмоделей проточной части центробежных насосов//Наука и образование. №4. 2012. http://technomag.edu.ru/issue/311245.html
  3. Айзенштейн М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1957. 363 с.