Компьютерное моделирование и развитие методологии конструирования динамических насосов и машин Текст научной статьи по специальности «Математика»

КОНСТРУИРОВАНИЕ

УДК 622.23.05

Ю.А. Сазонов, д.т.н., e-mail: ysaz60@mail.ru; В.В. Муленко, к.т.н., РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина;

А.Ю. Балака, инженер, DET NORSKE VERITAS AS

компьютерное моделирование и развитие методологии конструирования динамических насосов и машин

Развитие методологии конструирования машин в настоящее время тесно связано с достижениями компьютерных технологий. Цифровой формат открывает новые возможности для хранения и обработки технической информации. Вместе с тем открываются и уникальные возможности для получения новых знаний.

В рамках научно-исследовательских и поисковых работ по актуальной теме энергосбережения теоретический и практический интерес представляет вопрос о возможностях применения компьютерных технологий для создания и патентования новых технических решений. Здесь помимо прямых и обратных гидродинамических задач также решают и инновационные задачи, обозначенные как задачи третьего типа, связанные с созданием новых машин. Главная особенность таких инновационных задач заключается в том, что процедуру создания новой схемы машины не всегда удается перевести на язык математики и язык программирования. Но возможен специальный машинный перебор и предварительная количественная оценка черновых вариантов. Разработанные и апробированные математические модели [1-7] открывают дополнительные возможности для решения задач третьего типа. В среде конструкторов всегда обсуждается тема о возможностях математического описания или математизации процедуры рождения идеи. Видимо, нельзя

исключать такую возможность математизации, пока не доказано обратное, то есть пока не доказана невозможность математизации.

В нашем случае, в области изучения и создания динамических насосов, ключевым звеном является гидродинамическая схема гидравлической машины, в частности это может быть схема лопастного насоса. На такой схеме помимо основных элементов машины обычно изображают выносные и размерные линии и указывают размеры. Эти размеры, числовые значения геометрических параметров, являются важнейшим звеном в логической цепочке для перехода к математизации процесса подготовки новых технических решений. Разработаны оригинальные алгоритмы, позволяющие установить взаимосвязь геометрических параметров с характеристиками насоса, с балансом мощности и с балансом напора [1-7]. Созданные быстродействующие компьютерные программы позволяют конструктору работать в режиме реального времени: трансформируя проточную часть гидравлической машины, конструктор сразу видит из-

менение характеристик этой гидравлической машины и наблюдает четкую взаимосвязь геометрических размеров и гидродинамических параметров.

В результате компьютерного инженерного анализа появилась возможность моделировать поведение изделия (цифровой модели машины), помещенного в условия эксплуатации, приближенные к реальным условиям, что помогает принимать обоснованные решения.

До настоящего времени для прогнозирования и разработки новых технических решений на стадии подготовки технического задания или альтернативных технических предложений рекомендуют использовать различные методы обработки информации [8-10], в том числе такие, как секционирование, конвертирование, изменение линейных размеров, компаундирование, модифицирование, инверсия, аналогия, эмпатия, комбинирование.

Как пишет в своей работе Я.Ф. Таленс, поисковые исследования включают в себя выбор идеи [10], в ходе этих исследований выявляются возможности и условия использования научных идей

в интересах материального производства. Результатом поисковой работы, по мнению Я.Ф. Таленса, являются открытия или изобретения, а поисковые исследования создают научный задел, на котором основываются прикладные работы. Научно-исследовательские работы - это прикладные исследования, где информация о возможностях создания новой техники превращается в принципиальную схему разработки конкретного образца изделия. Дальнейшей проработкой такой темы являются опытно-конструкторские работы. Главные же направления развития технических средств устанавливаются прогнозированием, с учетом того что новое рождается в недрах прошлого. Развитие технических средств увязывают с преемственностью и последовательностью научных исследований и технических разработок, и любая новая технология зарождается на основе новых научных исследований и опытных разработок. В практическом прогнозировании развития объектов науки и техники применяется множество методов. Но фактически все они основываются на двух основных методах прогнозирования - эвристическом и математическом [10].

Ключевой вопрос по теме математизации конструкторских работ - это вопрос о возможностях перехода от известной гидродинамической схемы к схеме новой машины. Здесь важно отметить то, что такой переход в принципе возможен. Ведь, трансформируя каналы проточной части, меняя один за другим геометрические размеры, можно от конструкции центробежного насоса последовательно перейти к конструкции осевого насоса. Значит, нельзя исключать и вариант, когда от известной конструкции машины мы перейдем к новой конструкции, к той, которая пока отсутствует в классификации подобных машин. Гидродинамические схемы известных машин (которые следует рассматривать как аналоги) и математическое моделирование с применением современной вычислительной техники являются основой для быстрого решения задач третьего типа.

Сейчас появились компьютерные технологии в проектировании механического оборудования, позволяющие создавать цифровую модель машины и выполнять на ее основе прочностные и гидрогазо-

динамические расчеты с высокой точностью. Наши предшественники не имели подобных возможностей для научной и конструкторской работы, и многие старые, но интересные задачи остались нерешенными по причине отсутствия в те времена соответствующей вычислительной техники. Сейчас есть условия для пересмотра старых технических задач, для поиска решений к этим задачам и для перехода к новым задачам.

На кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина проводятся поисковые работы и формируется библиотека компьютерных программ для развития методологии конструирования гидравлических машин. На рисунке 1 представлены примеры с результатами компьютерного моделирования.

В рамках поисковых работ новые машины, которые пока не попали в какую-либо классификацию (по принципу работы), условно назовем «каскадными машинами». Геометрические или иные параметры, изменение которых позволит нам попасть в область каскадных машин, условно назовем «туннельными параметрами». Как отмечает Перси Хилл, следует иметь в виду, что не существует какой-либо формулы творчества, и то, что подходит в одном случае, может не подойти в другом [9]. Но если рассматривать систему «машина - человек» и говорить не о самой формуле, а пока только о подходах к формализации поисковой работы проектировщика-конструктора, то в таких случаях создание алгоритмов с применением «туннельных параметров» может оказаться весьма полезным. «Туннельные

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ КОНСТРУИРОВАНИЕ \\ 35

КОНСТРУИРОВАНИЕ

параметры» также отражают существование взаимосвязей между различными типами машин. Так, введение понятия «туннельный параметр» помогло создать вариант единой теории для струйных насосов, струйных компрессоров и многофазных струйных аппаратов. Также разработан вариант единой теории для центробежных насосов, центробежных вентиляторов и центробежных мультифазных насосов.

в конце этой статьи можно сделать следующие основные выводы:

1. Современные условия весьма благоприятны для развития поисковых работ и практического прогнозирования с целью создания новых эффективных машин, поскольку открывающиеся возможности компьютерного моделирования позволяют поднять методологию конструирования на качественно новый уровень, с обеспечением условий для работы в режиме реального времени.

2. Так как развитие технических средств, несомненно,связано с преемственностью и последовательностью научных исследований и технических разработок, математические методы прогнозирования с использованием «туннельных параметров» видятся весьма перспективными.

Литература:

1. Сазонов Ю.А. Варианты преобразований уравнения Эйлера и математическая модель первого уровня для центробежного насоса // Бурение и нефть. - 2008. - №10. - С. 33-35.

2. Сазонов Ю.А. Компьютерные технологии для разработки лопастных насосов // Нефть, газ и бизнес. - 2008. - №11.

- С. 68-71.

3. Сазонов Ю.А. Разработка методологии проектирования насосно-эжекторных установок на основе белее широкого использования численных экспериментов // Нефтяное хозяйство - 2009. - №8. - С. 83-85.

4. Сазонов Ю.А. Моделирование совместной работы струйного насоса и центробежного насоса// Территория НЕФТЕГАЗ.

- 2009. - №2. - С. 32-34.

5. Сазонов Ю.А. Разработка методологии проектирования насосно-эжекторных установок с расширенным использованием численных экспериментов // Территория НЕФТЕГАЗ. - 2009. - №4. - С. 26-28.

6. Сазонов Ю.А. Математическое моделирование перспективных динамических насосов и машин// Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. - М.: ВНИИОЭНГ, 6/2009. - С. 35-38.

7. Сазонов Ю.А. Методология конструирования насосных установок / Труды РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. - 2010.

- №2. - С. 94-100.

8. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования: Учеб. пособие для вузов/Л.Г. Чичеров, Г.В. Молчанов, А.М. Рабинович и др. - М.: Недра, 1987. - 422 с.

9. Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений. / Перевод с англ. Коваленко Е.Г. - Под ред. Венды В.Ф. - М.: Мир, 1973. - 264 с.

10. Таленс Я.Ф. Работа конструктора. - Л.: Машиностроение, 1987. - 255 с.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, методология, конструирование, динамический насос, гидравлическая машина, прогнозирование, техническое решение.

Москва, ЦВК “ЭКСПОЦЕНТР”, павильон 5 (зал 1)

6-8 декабря 2011 гц

10-я ЮБИЛЕЙНАЯ Российская выставка с международным участием

ТРУБОПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ

строительство, эксплуатация, ремонт

Проводится под патронатом Комитета по энергетике Государственной Думы РФ

ОСНОВНЫЕ РАЗДЕЛЫ

• Магистральные, технологические и промысловые трубопроводы

• Трубопроводы в ЖКХ и газораспределении

ТЕМАТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ

Законодателями н кеда отдавал шзп в труооI[|зово;L 1юм транспорте.

СРО в Г]1\оО(фОВОдиам транспорта ■ Альтернативные вилы грпнспортйррйр^ энергоносителей,

Инновационные технология в с 1:роит»яьств1 грубопроводоа.

Машины и оборудование д nr а рошельства и ремонта трубопроводов. Сварка, н олмннн. Контроль качества и техническая диагностика ВI iyrpi npyGi ia н диагностика.

Jatiiitia трубопроводов от коррошн.

Tpyf>i.i п трубное протиолство.

■ ТруЙОНрОНОДЫ ДЛЯ 1ЧЛ1.Ю- ВОЛН- I ЛШСНЛЙ'нКСМПЯ. Теп nit и гидрой юля пин

- Ирйя родстватруб и цементов фу озероведов и ч no шмернмх материалов.

[р>иилрово,[ы энергетически* обьектан.

Вн» рен ние I руool I pohoj Hii.

- Арматура, насосы, компрессоры,

I JpoMHiii ленная и экологическая безопасность трл hIchipo водного гравспорта, охрана фу;[а. Охрана тру боироводиых си cl ем.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Современные технологии строительства и ремонта трубопроводов»

ОФИЦИАЛЬНЫЙ САЙТ ВЫСТАВКИ:

www.trubosystem.ru

Устроитель выставок 2002-2010 гг ЗАО В К ВВЦ 'Промышленность и строительство" тел/факс: (499) 760-26-48, (499) 760-31-61 e-mail: е х popro m @ ramble г. ш, bild@bk.ru