Влияние условий подвода на прогнозные интегральные характеристики осевого насоса с низкой быстроходностью Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.671.001.024

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОДВОДА НА ПРОГНОЗНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСЕВОГО НАСОСА С НИЗКОЙ БЫСТРОХОДНОСТЬЮ

© 2014 Д.Г. Свобода, А.А. Жарковский, А.Н. Скляревский

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Поступила в редакцию 07.03.2013

Представлены результаты исследования влияния условий подвода на характеристики осевого насоса с низким коэффициентом быстроходности ^=570. Расчетные исследования проводились на основе трехмерных методов вычислительной гидродинамики. Показано, что при режимах работы насоса на малых подачах условия подвода рабочей жидкости влияют на вид энергетических характеристик ступени.

Ключевые слова: осевой насос, проточная часть, поле скоростей, прогнозные характеристики

Проведены обширные расчетные работы по осевым насосам низкой быстроходности ns = 570, используемым в качестве главных циркуляционных насосных агрегатов в перспективных реакторных установках на быстрых нейтронах. Для оценки энергокавитационных качеств насосов и доводке их проточной части применяются современные трехмерные методы вычислительной гидродинамики [1-3]. Это объясняется тем, что эти методы обеспечивают наиболее полный учет особенностей пространственного течения рабочей жидкости в проточной части исследуемых насосов. Однако для подтверждения эффективности работы насоса необходимо проведение испытаний моделей насосов на стендах, сравнение расчетных и экспериментальных характеристик, проверка соответствия напора лопастной системы заданному по ТЗ значению на расчетном режиме, исследование кинематики потока перед его поступлением на лопасти рабочего колеса и лопатки выправляющего аппарата.

Стенд для испытания насоса на рабочей жидкости (рис. 1) имеет не осевой подвод, а представляет собой бочкообразную трубу с боковым подводом. Он имеет подвод с зоной поворота на 90° в виде колена с закрепленными в нем лопатками. Колено расположено на расстоянии 3,5 DpK от входа в рабочее колесо (РК), что также может приводить к асимметрии потока на входе в насос.

Свобода Дмитрий Геннадьевич, ассистент. E-mail: svoboda. dmitry@gmail. com

Жарковский Александр Аркадьевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели». E-mail: azharkovsky@pef.spbstu. ru

Скляревский Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Машины и оборудование энерготехнологических комплексов». E-mail: ansk@mail.ru

Цель работы: оценить степень влияния элементов подвода проточного тракта стендов на интегральные параметры и поля скоростей исследуемых моделей осевых насосов, что позволит проводить уточнение гидравлического расчета течения рабочей жидкости и повысит точность прогнозирования характеристик насоса.

Рис. 1. Входной участок стенда для испытаний ОН на рабочей жидкости

С помощью программного комплекса SolidWorks были построены расчетные области для моделирования пространственного течения с несколькими вариантами подводов. При этом расчетная область после подвода включала в себя один межлопастной канал РК и один канал выправляющего аппарата (ВА). Тем самым предполагается, что течение во всех межлопастных каналах РК и ВА периодически повторяется. Осевой подвод был спроектирован в 3 вариантах: короткий конфузор на входе (рис. 2), труба длиной Ьпод = 2БРК (рис. 3), труба длиною

£под = 4£рк.

Рис. 2. Модель насоса с осевым подводом в виде короткого конфузора

Рис. 3. Расчетная область насоса с осевым подводом (Ьпод = 20рК)

На основе моделей геометрических областей с использованием программного комплекса ANSYS ICEM CFD были построены сеточные модели. Расчетная сетка - неструктурированная, ячейки сетки в ядре потока представляли собой тетраэдры. Максимальный размер элемента сетки принимался ~1% от DpK в области РК и ВА, ~2% в области подвода. Для моделирования течения в области пограничного слоя у твёрдых стенок создавались призматические слои. Гидродинамические расчеты, обработка и визуализация результатов проводилась с использованием программного комплекса ANSYS CFX 14.5. На входе в расчетную область задавалось полное давление 1 атм., на выходе - массовый расход. Режим течения - турбулентный. Для замыкания уравнений Рейнольдса использовалась SST (Shear Stress Transport) модель турбулентности. На рис. 4 и 5 представлены напорные

характеристики и графики гидравлического КПД насоса, полученные по результатам численного расчета ступени с различными вариантами подвода рабочей жидкости к насосу.

Расход (мЗ/ч)

Рис. 4. Напорные характеристики ступени с различными вариантами подводов: -•- боковой подвод, -■- короткий конфузор, • номинальный режим, -▲ - осевой подвод Lnod = 2 DPK, -♦- осевой подвод Lnod = 4 DPK

Анализ графических зависимостей показывает, что на режимах работы насоса Q = 0,6 ^ 1 энергетические характеристики при различных вариантах осевого подвода практически совпадают. В области малых подач появляется закономерность - чем короче длина подвода, тем больше становится западание напорной характеристики. В случае применения бокового подвода такое западание становится наибольшим. Данное обстоятельство можно объяснить изменением полей скоростей на входе в рабочее колесо насоса. На рис. 6 изображены линии тока рабочей жидкости при использовании бокового подвода. Можно видеть, что подвод существенно влияет на структуру потока. На рис. 7 показано расположение контрольного сечения (поверхность Interface), перпендикулярного оси входа в РК, на котором определялись эпюры скорости и давления потока.

Рис. 5. КПД ступени ОН с различными вариантами подводов (обозначения см. на рис. 4)

Streamline 1 ГТ 2.4

1.2

0.6

— 0.0 [m sA-1]

0.150 0.300 (т)

0.075 0.225

Рис. 6. Линии тока при боковом подводе

Рис. 7. Контрольное сечение потока

Исследование трехмерного течения потока проводилось в программном комплексе Ansys CFD Post для режима работы насоса Q = 0,6. Визуализация результатов исследований представлена на рис. 8-11. В использованной расчётной модели ось Z направлена в сторону противоположную направлению течения, поэтому расходная скорость имеет отрицательное значение.

Рис. 8. Поле осевой составляющей скорости

Рис. 9. Поле окружной составляющей скорости

Рис. 10. График относительной скорости в окружном направлении

Как видно из представленных рисунков, поля скоростей в окружном направлении

обладают неравномерностью и отличаются от случая осевого подвода потока к рабочему колесу насоса. Изменение относительной скорости в окружном направлении во входном сечении РК для среднего радиуса показано на рис. 10, из которого видно, что неравномерность относительной скорости в окружном направлении достигает 12%.

Выводы: боковой подвод приводит к увеличению западания напорной характеристики осевого насоса на малых подачах и вызывает неравномерность поля скоростей в окружном направлении. В дальнейших исследованиях надо провести расчеты течения и характеристик насоса при боковом подводе с использованием полноразмерной расчетной области, включающей

все межлопастные каналы рабочего колеса и выправляющего аппарата.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кочевский, А.Н. Современных подход к моделированию и расчету течений жидкости в лопастных гидромашинах / А.Н. Кочевский, В.Г. Неня // Вюник Сумського державного ушверситету. - Суми, 2003. Вип. 13 (59). С. 195-210.

2. Свобода, Д.А. Влияние модели турбулентности на интегральные параметры осевого насоса с быстроходностью Д5=560 / Д.Г. Свобода, А.А. Жарковский // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15, №4 (2). С. 573-578.

3. Свобода, ДА. Влияние расчетных параметров на прогнозные интегральные характеристики осевого насоса с быстроходностью ^=570 / Д.А. Свобода, АА. Жарковский // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. № 4-1(183). С. 111-119.

INFLUENCE OF INLET FLUID ON FORECAST INTEGRATED CHARACTERISTICS OF AXIAL PUMP WITH LOW RAPIDITY

© 2014 D.G. Svoboda, A.A. Zharkovskiy, A.N. Sklyarevskiy

St. Petersburg State Polytechnical University

Results of research the influence of inlet conditions on characteristics of axial pump with low coefficient of rapidity ns=570 are presented. Calculated researches were conducted on the basis of three-dimensional methods of computing hydrodynamics. It is shown that at operating modes of the pump at low feed rates of working liquid influence on a type of power characteristics of a stage.

Key words: axial pump, flowing part, velocity field, forecasting characteristics

Dmitriy Svoboda, Assistant. E-mail: svoboda.dmitry@gmail.com Alexander Zharkovskiy, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of "Turbines, Hydromachines and Aviation Engines". E-mail: azharkovsky@pef.spbstu.ru Alexander Sklyarevskiy, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department "Machines and Equipment of Power-technological Complexes". E-mail: ansk@mail.ru