Расчет потерь в трубчатых направляющих аппаратах центробежных насосов

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 14, №1(2), 2012 УДК 621.671.001.024

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ В ТРУБЧАТЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ

АППАРАТАХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

© 2012 Н.В. Косенок, А.А. Жарковский, А.С. Донской

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Поступила в редакцию 16.03.2012

Представлены результаты расчетных исследований проточных частей центробежных насосов с коэффициентами быстроходности nS~70 и nS~95. Исследования выполнены в программном комплексе ANSYS CFX. Для насоса с n^70 исследовано влияние числа каналов трубчатого направляющего аппарата на гидравлические характеристики промежуточной ступени. Проведено сравнение трубчатого и лопаточного направляющих аппаратов. Для насоса с nS^95 проанализировано влияние зазора между рабочим колесом и трубчатым направляющим аппаратом на относительные гидравлические потери.

Ключевые слова: рабочее колесо, направляющий аппарат, проточная часть, гидравлические потери

Объектом исследования является ступень питательного электронасосного агрегата ПЭНА 70-90. Быстроходность проточной части составляет nS=67,5. Подача Q=70 м3/ч, напор ступени H=63 м, частота вращения рабочего колеса (РК) n=2985 об/мин. Трубчатый направляющий аппарат (ТНА) состоит из расположенных в радиальной плоскости симметричных отверстий, осевые линии которых являются касательными к внутреннему диаметру направляющего аппарата (НА). Рассмотрены варианты ТНА с количеством отверстий Z0=9, 10, 11 и 12 (таблица 1). На рис.1 представлен ТНА с 12 каналами. Значение диаметра d^ проходного отверстия рассчитано для постоянной скорости в отверстии трубчатого аппарата:

V3 =

Q

0,194

z ^ g 3,14 • (0,0126) 4 4

= 17,4 м/с

Зная V можно определить коэффициент К3:

v = к 3^2^

17,4

К= V

yj2gRT3 V2 • 9,81 • 63

= 0,495 •

Таблица 1. Количество и диаметры проходных отверстий

Zo 9 10 11 12

йсв, мм 12,6 12,0 11,4 11,0

Косенок Николай Владимирович, аспирант. E-mail: 1kokos@bk.ru

Жарковский Александр Аркадьевич, доктор технических наук, заведующий кафедрой гидромашиностроения. E-mail: azharkovsky@pef.spbstu.ru Донской Анатолий Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры гидромашиностроения

Рис. 1. Схема трубчатого направляющего аппарата ПЭНА 70-90

Для проведения расчётов гидравлических качеств проточной части построены 3D-модели, соответствующие форме потока жидкости в РК, НА и обратном направляющем аппарате (ОНА) (рис. 2). Расчетные сетки, применяемые для данных моделей неструктурированные, состоят из ~6,0 105 элементов и ~2,2 105 узлов, ячейки в ядре потока представляют собой тетраэдры. Вблизи твердых стенок созданы слои призматических ячеек для достижения равномерной точности расчета в местах быстрого изменения параметров течения.

Расчет трехмерного вязкого течения проведен на основе решения уравнений Рейнольд-са, для замыкания которых использована k-s модель турбулентности. Расчет выполнен с использованием программного комплекса ANSYS CFX 12. В качестве граничных условий

Проблемы энергетического машиностроения

на входе задавалось полное давление (1 атм), на выходе - массовый расход, соответствующий подаче насоса. Моделирование кавитаци-онных явлений не производилось. Во всей расчётной области задавалась постоянная плотность среды.

/ /

/ 1

4

/

/

тэ

тю

-Т11 -Т12

эллиптической форме передней кромки аппарата и скошенной форме лопаток происходит сглаживание импульсов гидродинамических сил, возникающих при натекании на кромки потока с неоднородным полем скоростей за рабочим колесом и, следовательно, снижение интенсивности лопастной вибрации.

Рис. 2. Модель проточной части

По результатам расчетов построены характеристики относительных потерь в ТНА, представленные на рис. 3, из которого следует, что потери уменьшаются с увеличением числа каналов, гидравлический КПД ступени при этом возрастает, а кривая напора приобретает более пологий характер.

80,9 ^0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Рис. 4. Относительные потери в отводах с лопаточными трубчатым направляющими аппаратами

Также было исследовано влияние относительного зазора между РК и началом отвер-

стий ТНА:

— - —

3 = -1100%

—

на относительные

гидравлические потери в ТНА (рис. 5). Объектом исследования являлась модель насоса КГТН 315-405А с 12-ти канальным ТНА, с относительным зазором ¿=5,6%, углом ^3=15° и диаметром РК В2=150 мм. Скорость вращения РК п=2000 об/мин, коэффициент быстроходности п8=95.

40 60 80 100 120 140 0.™3/11

Рис. 3. Относительные потери в отводе с различными ТНА

Сравнивая 12-ти канальный ТНА с лопаточным направляющим аппаратом (ЛНА), используемым в данной ступени, приходим к выводу: на малых подачах ТНА имеет меньшие потери (рис. 4), что может быть обусловлено меньшей площадью омываемой поверхности круглого сечения при равной пропускной способности. Конструктивные особенности ТНА определяют их более высокую экономичность по сравнению с лопаточными, а также преимущества в акустическом отношении. Благодаря

Рис. 5. Схема трубчатого направляющего аппарата КГТН 415-305А

Для проведения расчетов созданы 3Б модели, соответствующие форме потока жидкости в проточной части насоса (рис. 6). Подвод и РК для уменьшения времени расчета были

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 14, №1(2), 2012

разделены на сегменты, а отвод, состоящий из направляющего аппарата, кольцевой камеры и двух патрубков, рассчитывался целиком. Расчетная сетка - неструктурированная, ячейки сетки в ядре потока представляли собой тетраэдры. Вблизи твердых стенок для описания пограничного слоя было создано 12 слоев призматических элементов. Полученное распределение безразмерного размера Y+ подтвердило правильность выбора параметров расчетной сетки (У+<100 для высокорейнольд-совой модели с масштабируемыми функциями стенки).

В результате расчета были получены зависимости относительных потерь от расхода для различных значений зазора д (рис. 7). Из рисунка можно видеть, что во всем рабочем диапазоне подач наименьшие потери имеет ТНА с относительным зазором между РК и ТНА 8 = 14,4% .

0,005 0,0055 0,006 0,0065 0,00? 0,0075 0,00В 0,0065

Рис. 7. Относительные потери для различных относительных зазоров 5 между РК и ТНА

Рис. 6. Модель проточной части

CALCULATION OF LOSSES IN TUBULAR DIFFUSOR OF CENTRIFUGAL PUMPS

© 2012 N.V. Kosenok, A.A. Zharkovskiy, A.S. Donskoy St. Petersburg State Polytechnical University

Results of rated researches of flowing parts of centrifugal pumps with factors of rapidity nS~70 and ns=95 are presented. Researches are executed in ANSYS CFX program complex. For the pump with nS~70 influence of channels number in tubular diffusor device on hydraulic characteristics at transtage is investigated. Comparison of tubular and blades diffusors is carried out. For the pump with nS~95 gap influence between the impeller and the tubular diffusor on fractional hydraulic loss is analysed.

Key words: impeller, diffusor, flowing part, hydraulic losses

Nikolay Kosenok, Post-graduate Student. E-mail: 1kokos@bk.ru Alexander Zharkovkiy, Doctor of Technical Sciences, Head of the Hydromechanical Engineering Department. E-mail: azharkovsky@pef.spbstu. ru

Anatoliy Donskoy, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Hydromechanical Engineering Department