CC BY
145
УДК 621.45.012
РАЗРАБОТКА ПАРАМЕТРИЗОВАННОЙ МОДЕЛИ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ПОДВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА В СРЕДЕ ANSYS WORKBENCH
А.А. Цыганов, Д.П. Шматов, К.В. Кружаев, А.В. Гаганов
В данной статье рассмотрена методика создания параметризованной модели проточной части подвода центробежного насоса, которая необходима для решения задач оптимизации конструкции проточной части в среде ANSYS Workbench. Методика позволяет создать параметризованную модель проточной части подвода и значительно сократить количество времени на получение оптимального профиля подвода насоса
Ключевые слова: параметризация, модель, центробежный насос, ANSYS
В процессе разработки и создание современных насосных агрегатов для обеспечения высоких энергетических характеристик, одним из важных направлений является совершенствование методик разработки. Основной задачей совершенствования существующих методик является комплексное использование модулей компьютерной динамики жидкости и параметризации моделей подвода в среде ANSYS Workbench.
Классические методики не позволяют достичь требуемых значений параметров насосных систем без использования комплекса современных аппаратно-программных средств автоматизации.
Для расчета подвода центробежного насоса в среде ANSYS необходимо создание модели проточной части. В настоящее время в большинстве организаций профилирование подводов насосных систем осуществляется с использованием инженерных методик [1, 2], среди которых встречаются противоречащие друг другу [3], а также методик собственной разработки, основывающихся на приближенных способах решения и использующих эмпирические зависимости, что существенно снижает точность результатов. На этапе проектирования разработчик используя инженерные методики, получает несколько вариантов геометрий проточной части. На основе полученных вариантов геометрий создаются модели проточной части и проводятся расчёты каждой модели в отдельности. После проведения расчётов в среде ANSYS проводиться анализ результатов расчёта каждой модели и выбор оптимального профиля. Для получения наилучшего результата необходимо создание и расчет бесконечного количества моделей подвода с различной геометрией. Подобный подход занимает
значительное количество времени на создание моделей, проведение и анализ результатов расчетов.
Все вышеперечисленное определяет фактические недостатки существующих
инженерных методик оптимизации, настоятельно требует разработки и применения новых подходов к проектированию подводов насосных систем с оптимальными характеристиками.
В данной статье рассмотрена методика создания параметризованной модели проточной части подвода центробежного насоса для решения задач оптимизации конструкции проточной части в среде ANSYS Workbench [4].
Особенностью данной методики является создание одной параметризованной модели проточной части, профиль которой изменяется в заданном диапазоне. Параметризация модели заключается в задании двух групп размеров (рис. 1).
1 группа - фиксированные размеры:
- диаметр и координаты расположения входа в подвод, которые задаются техническим заданием для разработки насоса;
- координаты выхода из подвода, которые задаются геометрией рабочего колеса;
- координаты границ отвода и подвода.
2 группа - оптимизационные размеры, которые позволяют управлять профилем проточной части и изменяющиеся в требуемом диапазоне:
- внешний профиль подвода;
- внутренний профиль подвода;
- профиль полуспиральной части подвода;
- координаты языка полуспиральной части подвода.
Вводимые параметры первой группы, в частном случае, характеризуют: диаметр входа в подвод, расстояние от осей X и Y насоса до входной части в подвод, расстояние от оси подвода до его выходной части, расстояние от оси рабочего колеса насоса до участка подвода, граничащего с отводом. Параметры второй группы, также в частном случае, характеризуют: ширину участка подвода граничащего с отводом, ширину внешнего и внутреннего профиля подвода, высоты внешнего и внутреннего конических участков, высоту и угол языка.
Цыганов Александр Александрович - ВГТУ, инженер, тел. 8(473) 2346-483, e-mail: rd-vgtu@mail.ru Шматов Дмитрий Павлович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473) 2346-483, e-mail: rd-vgtu@mail.ru Кружаев Константин Владимирович - КБХА, канд. техн. наук, начальник стенда отдела 118, тел. 8(473) 2346-483 e-mail: rd-vgtu@mail.ru
Гаганов Александр Владимирович - ВГТУ, директор НОЦ, тел. 8(473) 2346-483, e-mail: rd-vgtu@mail.ru
Начало работы по параметризации модели подвода начинается с создания проекта Design Modeler в среде ANSYS Workbench [5].
нажатием кнопки Parameters. В окне Parameter Editor во вкладке DesignParameter отражаются все введенные параметры.
Рис. 1. Модель параметризированного подвода: 1 -вход в подвод, 2 - выход из подвода, 3 - внешний профиль подвода, 4 - внутренний профиль подвода, 5 - полуспиральная часть подвода
В первом этапе необходимо создать несколько эскизов (Sketch), которые располагаются под углом относительно оси вращения (рис.2).
Эскиз состоит:
- профиля входной границы подвода;
- профиля выходной границы подвода;
- профиля границы подвода с отводом;
- профиля внешней границы подвода;
- профиля внутренней границы подвода.
Построение в эскизе профилей входной и
выходной границ подвода, профиля границы подвода с отводом производится по фиксированным размерам первой группы. Построение профилей внешней границы подвода и внутренней границы подвода производится по размерам второй группы, с использованием инструментов Line, Spline и Arc [6].
В процессе построения вышеперечисленных профилей в эскизе производится простановка вертикальных, горизонтальных размеров во вкладках Dimensions, с помощью инструментов Horizontal, Vertical, необходимых для задания начальных размеров. Требуется также, в окне Details View (рис. 3) выбирать установленные размеры и в окне Geometry - DesignModeler (рис. 4) ввести имена новых параметров для привязывания выбранных размеров к имени этого параметра [7] (начало параметризации).
После задания имен и привязки параметров выполняется дальнейшая параметризация размеров, которая осуществляется в панели инструментов
Рис. 2. Эскиз сечения подвода: 1 -входная граница подвода, 2 - выходная граница подвода, 3 - граница подвода с отводом, 4 - внешняя граница подвода, 5 - внутренняя граница подвода
В этой вкладке вводятся имена вспомогательных параметров третьей группы, значения которых являются относительными. В окне Parameter Editor (рис. 5) в свободный столбец Name вписываются названия новых параметров, в столбец Value вписываются значения параметров и столбце Type выбирается значение Dimensionless.
De tails View i
- Details of Sketch 1
Sketch Sketchl
Sketch Visibility Show Sketch
Show Constraints? No
- Dimensions: 27
Ifii м 200 mm -
IS HIS 207,14 mm
[0 ™6 84,223 mm
[D| H20 520,49 mm
Ifii ни 61,46 mm
[D] H22 45,526 mm
И H23 40,131 mm
[D| H34 350 mm
г mm
■ Ю6 3,|й71 mm
k mm
[pi H6 240 mm
Ifii H7 250 mm
iD]V10 141,13 mm
И Vil 147,96 mm
[E! vis 104,38 mm
[fij V13 366,48 mm -
Рис. 3. Окно Details View
Во вкладке Parameter/Dimension Assignments для параметров второй группы задаются относительные значения параметра (или диапазон значений согласно требованиям технического задания для разработки насоса), также могут задаваться выражения описывающие взаимосвязи между размерами и правильную геометрию профиля. В случае если подвод насоса двухстороннего типа, то проводится построение половины профиля.
A: Geometry - DeîignModeler
Create a new Design Parameter fordimenson reference XYPIent.HKP
Parameter Name.
ï|kT
Ж
Cancel
Рис. 4. Окно Geometry - DesignModeler
Parameter Editor
Name i Value Type 1 Comment
✓ Dvh 40 m Length
✓ Mvh 150 m Length
•f Hlrk 9 m Length
✓ H2rk 21 m Length
✓ Dirt 31 m Length
✓ E>2rk 24 m Length
✓ Dlotv 30 m Length
✓ Hlotv 76 m Length
hüvneshgran 17,017 m Length
< щ
Check I
n^iriri . Parameter/Dimension Assignments
Рис. 5. Окно Parameter Editor
Рис. 6. Подвод
3J[l3J[^||^| / LH Project
I,] Import... * ф Reconnect Refresh Project -/ Update Project
Project Schematic
■■ Update All Design Points
U Analysis Systems
3 Component Systems
¡¡J ACP(Post) yj ACP{Pre) y BladeGai A]f CFX
fy Engineering Data
¿j Explicit Dynamics {LS-DYNA Export)
| External Data p External Model s> Finite ElementHodeler □ Fluent
Fluent {with FluentMeshing) fj Geometry ijf ICEM CFD
Рис. 7. Рабочее поле проекта окна ANSYS Workbench
В дальнейшем необходимо создать твердое тело (рис. 6) по полученным эскизам.
В заключительном этапе производится создание скруглений граней подвода и заданий радиусов скруглений. Затем выполняем привязку размера к имени этого параметра.
После завершения построения
параметризованной модели в рабочем поле проекта окна ANSYS Workbench ниже элемента Geometry появляется строка Parameters (рис. 7), которая позволяет вносить изменения размеров. Активация строки Parameters активизирует таблицу параметров (рис. 8). В процессе последующих расчетов оптимизационные параметры из второй группы позволяют изменять профиль проточной части в заданном диапазоне и имеют обратную связь с программными реализациями моделей
компьютерной динамики жидкости и гидродинамическими процессами.
Outline f All Parameters
A В С D
1 Ш Parameter Name Value Unit
2 El Input Parameters
3 El 0 Geometry (Al)
4 t*p PI Dvh 200 ™ -J
5 Pp P2 HOvh 1500 mm iJ
6 t*p P3 Dirk 310 ™ U
7 t*p P4 D2rk 240 mm Jj
8 tp P5 Hlrk 90 mm J
9 tp P6 H2rk 210 mm
10 tp P7 Dlotv ISO mm J
11 tp ps Hlotv 760 mm ^
12 tp PIO Dpodv 460 mm jJ
13 t*p Pll hOvneshgran 600 mm ^
14 t*p P12 hOvnutgran 310 mm fj
15 fp P13 ft 260 mm -J
16 Pp P14 D2vh 620 mm J
17 fp P15 H2vh 1150 mm J
IS tp P16 Hlvh 300 mm JlJ
19 tp P17 hi 730 mm -j
20 tp PIS h2 400 mm zj
21 tp P19 h3 400 mm ^
22 tp P20 yzl 200 mm Ц]
23 fp P21 Vz2 200 mm U
74 ß> P77 h4 7ПП mm -1
Properties of Schematic: Parameter Set
Рис. 8. Таблица параметров
б1
Гидродинамическая
эффективность
конструкции параметризованном модели подвода была подтверждена при проведении вычислительного эксперимента в программном комплексе ANSYS для магистрального нефтяного насоса МНН1250 (рис. 9, 10).
Velocity Vector 1
— 1.795е+001
~ О.ОООе+ООО [m sn-1]
Velocity Streamline 1
Рис. 9. Поле скоростей
8.920е+001
6 е90е+001
- 4.460е+001
2.230е+001
— 6.018е-003 [m sA-1]
Рис. 10. Линии тока
Исходя из выше изложенного, сделаем вывод, что разработанная методика позволяет создать параметризованную модель проточной части подвода центробежного насоса в среде ANSYS Workbench, исключить создание бесконечного количества моделей подвода с различной геометрией, значительно сократить количество времени на создание моделей, проведение и анализ результатов расчетов. Данные результаты достигаются применением эскизов сечений с оптимизационными параметрами, которые позволяют изменять профиль проточной части в
заданном диапазоне и имеют обратную связь с программными реализациями моделей
компьютерной динамики жидкости и гидродинамическими процессами. Также обеспечивает получение оптимального профиля подвода насоса с заданными значениями критериев эффективности функционирования. Разработанная методика является уникальной и не имеет аналогов, в результате чего детальное сравнение с другими методиками невозможно.
Отличительной особенностью и
преимуществом разработки является реализация тесной интеграции со средствами компьютерного моделирования и оптимизации среды проектирования ANSYS.
Данная методики оптимизации модели подвода, также, позволяет использовать как встроенные средства профилирования ANSYS Workbench, так и задавать в качестве исходных данных профилирования значения параметров, полученные с помощью инженерных методик либо программно-алгоритмических средств собственной разработки.
Литература
1. Айзинштейн, М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности [Текст] / М.Д. Айзинштейн. -М.: Машиностроение, 1957. - 363 с.
2. Ломакин, А.А. Центробежные и осевые насосы [Текст] / А.А. Ломакин. - М.: Машиностроение, 1966. -364 с.
3. Михайлов, А.К. Лопастные насосы. Теория, расчёт и конструирование [Текст] / А.К. Михайлов, В.В. Малюшенко. - М.: Машиностроение, 1977. - 288 с.
4. Чигарев, А.В. ANSYS для инженеров. Справочное пособие [Текст] / А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. - М.: Машиностроение, 2004 - 87 с.
5. www. ansyssolutions .ru [электронный ресурс].
6. Ansys CFX Users Manual [электронный ресурс].
7. Валюхов, С.Г. Оптимизационное проектирование проточной части магистрального нефтяного насоса с использованием Turbo инструментов ANSYS [Текст] / С.Г. Валюхов, А.В. Кретинин, Д.Н. Галдин, С.С. Баранов // Насосы. Турбины. Системы. -2015. № 1. -С. 56-70.
Воронежский государственный технический университет
Акционерное общество «Конструкторское бюро химавтоматики», г. Воронеж
DEVELOPMENT OF A PARAMETERIZED MODEL OF THE FLOW PART SUPPLY OF A CENTRIFUGAL PUMP IN ANSYS WORKBENCH
A.A. Tsyganov, D.P. Shmatov, K.V. Kruzhaev, A.V. Gaganov
This article describes the methodology of creating a parameterized model of the flow part supply of a centrifugal pump, which is necessary for the decision of tasks of optimization of hydraulic design in the ANSYS Workbench. The method allows to create parameterized model of a flowing part of the supply and significantly reduce the amount of time to deliver the optimal profile of a supply pump
Key words: parameterization, model, centrifugal pump, ANSYS
