XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Турбомашины применяются во многих областях промышленности. Ускоренное развитие этой отрасли началось в середине прошлого века. Это было связано с развитием ТЭК: добыча и транспортировка нефти, строительство ТЭС и АЭС, создание крупных химических и нефтеперерабатывающих производств и т.д.

Высокие темпы развития нефтяной и газовой промышленности обуславливают увеличение производства надежных и мощных нефтеперекачивающих и газоперекачивающих агрегатов.

Актуальность данной работы заключается в том, что турбомашины широко распространены, поэтому необходимо правильно рассчитать габариты деталей, входящих в них.

В данной работе спроектированы и произведены расчеты центробежного насоса и турбомуфты.

В статье показан пример проектирования центробежного насоса в ANSYS Vista CPD, а также его проверочных расчетов в ANSYS Vista TF и ANSYS CFX, а также показана деформация турбомуфты от наложенной нагрузки в ANSYS Mechanical APDL.

Одномерное проектирование выполняется в Vista Centrifugal Pump Design, проверочные расчеты выполняются в Vista ThroughFlow и CFX. Для проведения CFD- расчетов построение геометрии и сетки рабочего колеса осуществляется в BladeGen и Turbogrid, а сборочной улитки центробежного насоса- в DesignModeler и Meshing.

1 Теоретическая часть

1.1 Турбомашины

Турбомашины в машиностроении описывают машины, которые передают энергию между ротором и жидкостью, включая как турбины, так и компрессоры. В то время как турбина передает энергию от жидкости к ротору, компрессор передает энергию от ротора к жидкости.

В общем, на практике встречаются два вида турбомашин. Это открытые и закрытые турбомашины. Открытые машины, такие как пропеллеры, ветряные мельницы и незамкнутые вентиляторы, действуют на бесконечное количество жидкости, тогда как закрытые машины работают на конечном количестве жидкости, когда она проходит через корпус или кожух.

Турбомашины могут быть дополнительно классифицированы на две дополнительные категории: те, которые поглощают энергию для повышения давления жидкости, то есть насосы, вентиляторы и компрессоры, и те, которые производят энергию, например турбины, расширяясь до более низких давлений. Особый интерес представляют приложения, содержащие насосы, вентиляторы, компрессоры и турбины. Эти компоненты необходимы практически во всех системах механического оборудования, таких как силовые и холодильные циклы.

Турбомашины проектируются по основным законам гидравлики а именно гидродинамики.

Гидродинамика - раздел непрерывной механики, изучающий законы движения жидкости и взаимодействия с погруженными в нее телами.

В гидродинамике различают три задачи: внутреннюю, внешнюю и смешанную. Внутренняя задача – анализ движения жидкости внутри каналов, труб. Внешняя задача – анализ обтекания твердых тел жидкостью. При решении смешанной задачи анализируют совместное течение жидкости внутри каналов и обтекание ею твердых тел.

Гидродинамика ламинарных течений изучает поведение жидкости в нетурбулентном режиме. В некоторых случаях со специальной геометрией уравнения гидродинамики могут быть решены точно. Некоторые наиболее важные задачи этого раздела гидродинамики:

стационарное течение идеальной несжимаемой жидкости при различных граничных условиях

стационарное течение вязкой жидкости, уравнения Навье — Стокса

волны на поверхности идеальной несжимаемой жидкости и прочие нестационарные явления

ламинарное обтекание конечных тел

течения в различных несмешивающихся жидкостях, тангенциальные разрывы и их устойчивость

струи, капли и прочие течения конечных размеров

Мы также классифицируем турбомашины по типу потока. Когда поток параллелен оси вращения, мы обозначаем этот тип машины как осевой поток, а когда поток перпендикулярен оси вращения, мы обозначаем эту машину как радиальный поток. Когда присутствуют как радиальные, так и осевые компоненты скорости потока, машина обозначается как смешанный поток.

Турбомашины управляются одними и теми же основными соотношениями, включая второй закон движения Ньютона и уравнение насоса и турбины Эйлера для сжимаемых жидкостей. Центробежные насосы также являются турбомашинами, которые передают энергию от ротора к жидкости, в то время как турбины и компрессоры обычно работают с газом.

1.2 Центробежные насосы

Центробежный насос является наиболее распространенным насосом класса динамических машин. В нем движение жидкости и требуемое давление осуществляется центробежной силой, создаваемой лопастями рабочего колеса под действием жидкости. Рассматриваемая установка является основным видом насосов с точки зрения производительности, универсальности и распространенности.

Целью центробежных насосов является осуществление перекачки воды и других жидкостей в производственно-хозяйственной сфере, коммунальном водо-и теплоснабжении.

Рис. 1- Центробежный насос

На обоих концах вала расположены подшипники, которые могут отличаться в зависимости от типа насоса. С помощью специальных креплений подшипники крепятся к корпусу насоса, обеспечивая вращение колеса. Рядом с одним из подшипников расположена полумуфта, обеспечивающая передачу вращательного движения от электродвигателя. Полумуфта на валу и полумуфта на валу электродвигателя соединяются с помощью специальных болтов, называемых "палец".

Колесо может быть открытым (диск с установленными лопастями) и закрытого типа —лопасти расположены между передним и задним дисками. Лопасти обычно изогнуты в виде логарифмической спирали в направлении, противоположном направлению вращения рабочего колеса от радиального направления. С помощью труб корпус насоса соединяется с всасывающим и напорным трубопроводами.

1.3 Турбомуфта

Турбомуфта (гидромуфта) - гидродинамическая муфта, основанная на принципе г. Феттингера. Основными элементами его конструкции являются два лопастных колеса-насос и турбина, а также внешний корпус. Колеса устанавливаются друг напротив друга. Передача усилия осуществляется с минимальным износом, отсутствует механическая связь между силовыми агрегатами.

Муфта содержит постоянное количество рабочей жидкости, обычно минерального масла. Турбомуфты с водой поставляются по запросу в качестве рабочей жидкости. От приводного двигателя через подключенное к нему насосное колесо крутящий момент создает энергию потока в рабочей жидкости. В турбинном колесе эта энергия потока снова превращается в механическую энергию.

Рис. 2

2 Проектирование турбомашин в программе ANSYS

2.1 Проектирование центробежного насоса

2.1.1 Рабочий процесс в ANSYS

Вычислительная гидродинамика (также CFD от англ. computational fluid dynamics) — подраздел механики сплошных сред, включающий совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов.

Инструменты расчета турбомашин ANSYS

ANSYS Workbench- cреда интеграции

ANSYS Vista AFD/CCD/RTD- предварительное проектирование на основе инженерных методик

ANSYS BladeModeler

(ANSYS BladeGen/ANSYS DesignModeler+ BladeEditor)- создание геометрии проточной части и лопаток

ANSYS Vista TF- быстрый упрощенный анализ (ThroughFlow) на ранних этапах проектирования

ANSYS TurboGrid- построение сетки

ANSYS CFX/Turbo-Pre- моделирование течения и связанных процессов

ANSYS CFD-Post/Turbo- анализ результатов, создание отчетов

Рис. 3- Рабочий процесс в ANSYS

Инструменты для одномерного проектирования определенного типа турбомашин:

Vista AFD (Axial Fan Design)- проектирование осевых вентиляторов

Vista CCD (Centrifugal Compressor Design)- проектирование центробежных компрессоров

Vista CCD with CCM (Centrifugal Compressor Design with Compressor Performance Map)- проектирование центробежных компрессоров с оценкой характеристик

Vista CPD (Centrifugal Pump Design)- проектирование центробежных насосов

Vista RTD (Radial turbine Design)- проектирование радиальных машин

2.1.2 Описание задачи

Необходимо создать центробежный водяной насос для подъема 50 м3/ч воды на 30 метров. Частота вращения приводного двигателя 3500 об/мин. После проектирования выполнить проверочные расчеты.

Рис. 4

Выводим в рабочую зону ANSYS Workbench программу Vista CPD и запускаем ее (Рис. 5)

Рис. 5

Когда программа запустилась вводим основные эксплуатационные параметры которые указывали ранее в описании задачи. После ввода нажимаем на кнопку Calculate и видим меридиональную проекцию (Рис. 6) и начальную геометрию улитки (Рис. 7) центробежного насоса.

Рис. 6

Соединение зоны рабочего колеса с зоной улитки происходит по поверхности находящиесямежду базовым радиусом улитки и половины радиуса водореза. И таким образом это расстояние для нашей геометрии составляет 73,4 мм (Рис. 7).

Рис. 7- Размеры рабочего колеса на выходе

Рис. 8- График эффективности

Теперь нам надо сформировать геометрию рабочего колеса. Для этого нажимаем правой кнопки мыши на Blade Design и в меню выбираем BladeGen (Рис. 7-9).

Рис. 9

Рис. 10- среда иснтрумента BladeGen

Рис. 11- сравнение меридиональных обвод в инструментах BladeGen и Vista CPD (Рис. 6)

Для формировании геометрии улитки создаем инсрумент Volute (Рис. 12)

Рис. 12

После того как создали инструмент Volute создаем инструмент для сетки турбомашины TurboGrid чтобы создать инструмент CFXдля формирования расчетов. Затем соединяем сетку для рабочего колеса к CFX. Таким образом, у нас создается модель для расчета (Рис. 13)

Рис. 13

Открываем геометрию улитки. Здесь мы можем сравнить построенную модель в Volute с геометрией которая была сформирована в Vista CPD (Рис. 7). Мы видим, что модель совпадает и при чем она создается автоматический (Рис. 14).

Рис. 14

В параметрах TuboGrid отключаем Outlet Domain, и запускаем TuboGrid. Мы видим геометрическую модель рабочего колеса (Рис. 15) на которой будет построена качественная гиксогональная сетка в самом TuboGrid.

Рис. 15

Для наилучшего сопрежения в расчете размера улитки (Рис.7) мы выяснили что улитка начинается с радиуса 73,4. Значит рабочее колесо должно заканчиваться этим размером. Но по умолчанию это не так. Так что мы должны изменить геометрию на выходе (Рис. 16-17)

Рис. 16- размеры по умолчанию

Рис. 17- размеры после изменения значении

Рис. 18- Рабочее колесо после изменения размера

Рис. 19- Параметры сетки

Рис. 20- сетка для расчета рабочего колеса

Открываем препроцессор CFX. Здесь мы можем увидеть наш насос который состоит из сборной улитки и лопатки (Рис.21). Видим что они сопрягаются правильно, значит размеры правильные. На Рис. 22 мы видим КЭ сетку для расчет насоса.

Рис. 21

Рис. 22

Входим в турбо режим и задаем параметры для активной и стационарной зоны а также параметры для жидкости (Рис. 23-25). А именно для активной зоны задаем чистоту вращения 3000 и задаем элемент активной зоны то есть рабочее колесо. А элементом стационарной зоны является непосредственно улитка насоса. Среда течения является вода, а значит плотность будет составлять 1000кг/м3. Относительная давление жидкости будет составлять 1 атм. Значение давление на выходе относительно атмосферного будет 0.

Рис. 23- Параметры колеса

Рис. 24- элемент стационарной зоны

Рис. 25- Параметры жидкости

Рис. 26- Визуализация граничных условии

Запускаем расчет в параллельном режиме.

Рис. 27- Выполнение расчета

Формируем новый элемент ThroughFlow. На Рис. 28 мы видим геометрию рабочего колеса.

В параметрах ThroughFlow устанавливаем 0 Па входное давления и нажимаем на Results чтобы сформировать анализ расчетов.

Рис. 28- модель рабочего колеса

Анализ расчетов

Рис. 29- Давление по уходу проточной части

Рис. 30- Окружная скорость

Рис. 31- Меридиональная скорость

Мы видим что давление при выходе рабочего колеса повышается до 200кПа, что было заложено как проектная переменная, значит мы можем сказать что рабочее колесо спроектирована правильно. Но еще нужно будет сравнить с CFD анализом.

2.2 Расчет турбомуфты

2.2.1 Командный режим в ANSYS

Каждое действие GUI можно выполнить, используя команду, введя ее в окно меню ANSYS Input. Все эти команды отображаются в файле LOG. ANSYS содержит около 1000 команд, используемых для различных целей. С помощью этих команд можно запрограммировать необходимые для анализа действия. Выполнить программу можно путем перехода в меню UtilityMenu> File> ReadInputfrom.

Для написания программы в ANSYS используются следующие правила:

1 Каждая строка должна иметь один вывод.

2 Допускается использование нескольких операторов в одной строке и должно быть разделено знаком.

3 Максимальное количество символов на одну строку, включая пробелы и разделители, не должно превышать 130.

4 ANSYS не имеет набора переменных, поэтому нет необходимости описывать типы переменных. Все переменные, определенные пользователем, считаются действительными.

5 Переменные, указанные в ANSYS, распознаются автоматически. Так, например, если при указании целочисленной переменной указать действительное число (например, количество слоев в пакете листов и т.д.), Программа округлит это число до целого числа. Диапазон чисел для таких переменных составляет 0-9999999. Если отображается нецифровое значение, появляется ошибка. Если ничего не указано, ANSYS присваивает значение 0.

Определение единиц измерения

Так как в вычислениях по умолчанию используются имперские единицы, то для перехода к единицам Си необходимо указать команду.

/ Единицы. Эта команда недоступна в GUI и должна быть вставлена непосредственно в окно команд: / UNITS, SI. Следует отметить, что это не обязательно для большинства задач.

2.2.2 Код для расчета турбомуфты