СПОСОБ 3D (ТРЕХМЕРНОГО) ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ КОРПУСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
METHOD FOR 3D (THREE-DIMENSIONAL) PARAMETRIC SIMULATION OF FLOW PARTS OF CENTRIFUGAL PUMP HOUSING

Изобретение относится к области машиностроения, а именно параметрическому моделированию проточной части корпуса центробежного насоса, предназначенного, в частности, для использования в качестве нефтяного магистрального насоса.
Магистральные насосы, в частности нефтяные магистральные насосы, обладают большой мощностью и потребляют много энергии, вследствие чего в суммарной стоимости жизненного цикла насоса затраты на электроэнергию могут достигать 80%. Поэтому повышение КПД насоса дает существенный экономический эффект. Кроме того, указанные насосы должны обладать высокой надежностью, поскольку простой магистрального оборудования связан с большими экономическими потерями. Отсюда возникает необходимость в повышении энергоэффективности и надежности проектируемых насосов, а также в оптимизации их параметров. Основные сложности возникают при параметрическом моделировании проточной части насоса. Известные существующие методики параметрического моделирования проточной части центробежных насосов требуют больших затрат времени и средств.
В настоящее время при проектировании проточной части центробежных насосов для сокращения количества испытаний, времени и средств разработчиков успешно применяются методы гидродинамического моделирования трехмерного течения жидкости (например, программный комплекс Ansys CFX). С целью повышения энергетических характеристик (КПД, мощность) центробежного насоса широко используется вариантное проектирование - многократная оценка расчетных характеристик насоса с различными геометрическими параметрами, позволяющая найти параметры, обеспечивающие наилучшие характеристики. Исследования в этом направлении целесообразно проводить путем введения изменений геометрической формы проточной части в методы расчета трехмерного течения жидкости.
Формирование трехмерных параметрических моделей двухзавитковых спиральных отводов можно проводить разными способами. Один из способов [Валюхов С.Г., Оболонская Е.М. Разработка математического аппарата для построения параметризированной 3-D модели двухзаходного спирального отвода. Научно-технический журнал «Насосы. Турбины. Системы». №4. 2013] основан на профилировании сечений спирального отвода и переводного канала с помощью параметрических эскизов, по которым «вытягивают» поверхность, описывающую отвод (Фиг. 2).
Недостатками такой модели являются большая трудоемкость и низкая надежность. Каждая модель способна параметрически изменять геометрию с сохранением топологии только в определенном диапазоне параметров. Но при выходе параметров из этого диапазона топология модели может нарушаться.
Известен способ параметрического компьютерного моделирования в системах 3D (трехмерного) проектирования, согласно которому на основе полученных для объекта исходных данных создают трехмерную компьютерную модель объекта в виде габаритного имитатора и имитатора массы и главных центральных моментов инерции, затем совмещают начало системы координат имитатора массы и главных центральных моментов с точкой, соответствующей положению центра масс объекта, а оси совмещают с соответствующими направлениями главных центральных осей трехмерной модели объекта, в результате чего получают компьютерную трехмерную модель объекта в виде массово-инерционного имитатора, определяют массово-центровочные и инерционные характеристики полученной модели [патент RU 2263966, МПК G06T 17/00, опубл. 10.11.2005].
Указанный способ может быть использован при параметрическом трехмерном компьютерном моделировании многокомпонентных изделий, но мало пригоден для решения задач по моделированию (оптимизации) проточной части корпуса центробежного насоса.
Известен также способ автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического проектирования, при котором выбирают данные компьютерной математической модели, которые будут использованы для построения трехмерной геометрической модели изделия, задают последовательность операций автоматического построения, считывают выбранные пользователем данные, преобразуют считанные данные в значения геометрических параметров изделия, извлекают из предварительно созданной базы данных трехмерные геометрические модели-примитивы, изменяют значения их параметров в соответствии с данными компьютерной математической модели, выполняют динамическое построение элементов изделия, трехмерные геометрические модели-примитивы которых отсутствуют в базе данных, а затем помещают полученные трехмерные геометрической модели элементов изделия в трехмерную геометрическую модель сборки [патент RU 2308763, МПК G06T 17/40, опубл. 20.10.2007]. Трехмерная геометрическая модель изделия строится пользователем на экране монитора, все изменения в модели отображаются на экране монитора при соответствующих командах пользователя.
Известный способ может быть использован при проектировании проточных частей насоса, но не решает задач по оптимизации геометрических параметров изделия, а также по верификации полученных результатов.
В качестве прототипа выбран способ параметрического моделирования центробежного насоса, при котором задают технические требования к функциональным характеристикам насоса, определяющим его производительность, включая подачу насоса, напор и частоту вращения вала насоса, и габаритным характеристикам, определяющим предельные размеры рабочих органов, включая диаметр рабочего колеса, устанавливают на их основе набор параметров, характеризующих геометрию рабочего колеса и сечений проточной части насосов и их пропускную способность, определяют характеристики расчетных сечений проточной части на выходе подвода и входе отвода и с использованием метода численного моделирования на основе характеристик расчетных сечений определяют параметры промежуточных сечений проточной части насоса, при этом расчетные параметры сечений проточной части насоса определяют по результатам построения 3D моделей проточной части насоса, в процессе которого выбирают параметры оптимизации сечений, наиболее сильно влияющие на основные характеристики насоса, включающие потери напора в отводе и суммарную радиальную силу на роторе насоса, задают диапазон изменения для каждого параметра оптимизации, формируют численный массив в пределах выбранных диапазонов их изменений, из которого производят выборку оптимального варианта соотношения значений КПД и радиальной силы на роторе насоса, осуществляют изготовление модели насоса с использованием 3D принтера, производят гидравлические испытания модели насоса, в процессе которых осуществляют измерение напорных и энергетических характеристик насоса, включая измерение давления в различных точках проточной части насоса, мощности и момента на валу насоса, частоты вращения вала насоса, перепада давлений на насосе, напора и подачи насоса, проводят их статистическую обработку и определяют КПД насоса, после чего на основе теории подобия осуществляют пересчет результатов испытаний на натурные характеристики насоса, сравнивают полученные результаты испытаний с расчетными характеристиками насоса и, при необходимости, осуществляют коррекцию используемой для оптимизации параметров математической модели течения жидкости в насосе, затем сравнивают результаты испытаний с расчетными характеристиками насоса и повторяют указанные операции до достижения совпадения с заданной точностью характеристик насоса, полученных расчетным и экспериментальным путем, после чего определяют геометрические параметры проточной части насоса, изготавливают натурный образец насоса и в процессе испытаний измеряют напорные и энергетические характеристики натурного образца насоса, сравнивают их с заданными и расчетными характеристиками и, при необходимости, корректируют характеристики математической модели проточной части насоса [патент RU 2542160, МПК G06T 17/00, опубл. 20.02.2015].
Недостатками известного способа являются значительные затраты времени и средств на проведение 3D (трехмерного) параметрического моделирования.
Технической задачей изобретения является снижение затрат на проведение 3D (трехмерного) параметрического моделирования проточной части корпуса центробежного насоса.
Поставленная задача решается тем, что в отличие от известных способов 3D (трехмерного) моделирования проточной части корпуса центробежного насоса с использованием методов автоматизированного проектирования и математического моделирования, предлагаемый способ реализует комплексную методику, согласно которой в процессе построения 3D модели проточной части корпуса центробежного насоса согласно изобретению в соответствии с заданными значениями варьируемых переменных направляющего аппарата и отвода создают их параметризированную CAD и сеточную модели, на основании которых создают расчетную модель проточной части корпуса насоса, создают базовый эскиз поперечного сечения отвода по заданным геометрическим параметрам и тела вращения на его основе, создают описывающий спираль и переводной канал эскиз и производят обрезку твердотельной модели заготовки с помощью полученного эскиза, создают эскиз описывающего профиль ребра между второй спиралью и переводным каналом двухзавиткового отвода, формируют с помощью полученного эскиза ребро в твердотельной модели заготовки, создают скругления переменного радиуса для описывающих спираль и переводной канал тел, создают эскизы проекции расчетного сечения спирали и переводного канала и эскиза выходного сечения диффузора, создают тела диффузора вытягиванием эскиза, создают описывающий профиль лопатки направляющего аппарата эскиз, формируют и размножают по полученному эскизу лопатки направляющего аппарата, при этом в случае изменения параметров отвода и направляющего аппарата осуществляют автоматическое перестроение параметрической модели в соответствии с деревом ее построения, согласно которому сначала изменяется форма заготовки, затем новое положение принимают точки, соответствующие высотам спирали и переводного канала, а связанные с вершинами сплайны принимают новое положение, формируя ограничивающую отвод поверхность с новыми параметрами, в результате чего перестраивается диффузор и лопатки направляющего аппарата, проводят расчет трехмерного течения в проточной части корпуса насоса и анализ полученных результатов.
Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурами.
Фиг. 1 - продольное сечение корпуса центробежного нефтяного магистрального насоса (без направляющего аппарата);
Фиг. 2 - поперечное сечение направляющего аппарата;
Фиг. 3 - структурная схема заявляемой CFD-задачи;
Фиг. 4 - 3D модель двухзавиткового отвода, построенная по набору эскизов;
Фиг. 5 - создание базового эскиза поперечного сечения отвода по заданным геометрическим параметрам и тела вращения на его основе;
Фиг. 6 - создание эскиза, описывающего спираль и переводной канал двухзавиткового отвода;
Фиг. 7 - обрезка твердотельной модели заготовки отвода с помощью эскиза;
Фиг. 8 - создание эскиза, описывающего профиль разделяющего ребра между второй спиралью и переводным каналом двухзавиткового отвода;
Фиг. 9 - формирование разделяющего ребра в твердотельной модели заготовки отвода с помощью полученного эскиза;
Фиг. 10 - создание скруглений переменного радиуса для тел, описывающих спираль и переводной канал двухзавиткового отвода;
Фиг. 11 - создание тела диффузора вытягиванием эскиза;
Фиг. 12 - формирование лопатки НА по полученному эскизу и ее размножение;
Фиг. 13 - расчетная модель проточной части насоса в ANSYS CFX-Pre;
Фиг. 14 - распределение скоростей в лопаточном НА и отводе, полученное при проведении расчета в ANSYS Solver.
Перечень позиций на фигурах:
1 - корпусная деталь;
2 - крышка;
3 - шпилька;
4 - внешний виток отвода;
5 - внутренний виток отвода;
6 - разделительное ребро отвода;
7 - спиральный участок внешнего витка отвода;
8 - обводной участок внешнего витка отвода;
9 - диффузорный участок внешнего витка отвода;
10 - спиральный участок внутреннего витка отвода;
11 - диффузорный участок внутреннего витка отвода;
12 - кольцо;
13 - расширяющийся канал направляющего аппарата;
14 - криволинейная лопатка направляющего аппарата.
Разъемный корпус центробежного нефтяного магистрального насоса (Фиг. 1) выполнен в виде нижней корпусной детали 1 и крышки 2, скрепленных шпильками 3.
Корпус центробежного нефтяного магистрального насоса содержит двухзавитковый отвод со смещенными на 180° внешним и внутренним витками 4 и 5, разделенных ребром 6. Внешний виток 4 включает спиральный, обводной и диффузорный участки 7, 8 и 9 соответственно. Внутренний виток 5 включает спиральный и диффузорный участки 10 и 11 соответственно.
Направляющий аппарат (Фиг. 2) центробежного нефтяного магистрального насоса содержит кольцо 12 с равномерно расположенными по окружности расширяющимися каналами 13, сформированными криволинейными лопатками 14.
Суть заявляемого способа заключается в создании виртуальной модели проточной части центробежного насоса типа МНН, позволяющей решать CFD-задачу, структурная схема которой представлена на Фиг. 3.
Для 3D-моделирования отвода и направляющего аппарата необходимы исходные данные, отражающие полную геометрическую форму проточной части, полученные в результате проектировочного расчета.
В качестве параметров направляющего аппарата приняты следующие геометрические размеры:
3
- радиус начальной окружности R, мм;
3л
- угол установки лопатки НА на входе потока α, град;
4л
- угол установки лопатки НА на выходе потока α, град;
3
- ширина НА на входе b, мм;
4
- ширина НА на выходе b, мм;
- толщина лопатки σ, мм;
- количество лопаток Ζ, шт.
В качестве параметров отвода приняты следующие геометрические размеры [Валюхов С.Г., Оболонская Е.М. Разработка математического аппарата для построения параметризированной 3-D модели двухзаходного спирального отвода. Научно-технический журнал «Насосы. Турбины. Системы». №4. 2013], [Ломакин В.О., Щербачев П.В., Тарасов О.И., Покровский П.А., Семенов С.Е., Петров А.И. Создание параметризированных 3D-моделей проточной части центробежных насосов. - Электронное научно-техническое издание «Наука и образование». №4. 2012]:
4
- радиус начальной окружности спирали R, мм;
5
- начальная ширина спирали b, мм;
р
- высота расчетного сечения Н, мм;
- угол стенки спирали α, град;
p
- радиус скругления трапеции в расчетном сечении R;
- коэффициент диффузорности канала
- толщина разделительного ребра между спиральной частью и переводным каналом δ, мм;
Д
- длина диффузора L, мм;
диф
- диаметр на выходе диффузора D, мм;
- угол установки языка β, град.
Равномерное распределение расхода по окружности входа в спиральный канал обеспечивается тем, что меридиональные сечения рассчитываются исходя из условия [Айзенштейн М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. - М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1957. - 363 с.]:
ϕ
где Q - расход через меридиональное сечение спирального канала, проведенное под углом ϕ к начальной плоскости;
Q - расход через насос.
ϕ
Высота ϕ-го сечения H определяется из решения системы уравнений:
ϕ
где S - площадь сечения спирального канала, расположенного под углом ϕ к начальной плоскости;
- функция, описывающая профиль сечения спирали;
p
S - площадь расчетного сечения, вычисляемая по формуле
Заявляемый способ включает следующие этапы.
1. Создание базового эскиза поперечного сечения отвода по заданным геометрическим параметрам и тела вращения на его основе (Фиг. 4).
2. Создание эскиза, описывающего спираль и переводной канал. Высота спирали в каждой точке рассчитывается исходя из равномерного распределения расходов (формула 2). Обрезка твердотельной модели заготовки (Фиг. 7) осуществляется с помощью полученного эскиза (Фиг. 6).
3. Создание эскиза, описывающего профиль разделяющего ребра между второй спиралью и переводным каналом двухзавиткового отвода (Фиг. 9). Формирование разделяющего ребра в твердотельной модели заготовки с помощью полученного эскиза (Фиг. 8).
4. Создание скруглений переменного радиуса для тел, описывающих спираль и переводной канал (Фиг. 10).
5. Создание эскизов: проекции расчетного сечения спирали и переводного канала и эскиза выходного сечения диффузора. Создание тела диффузора вытягиванием эскиза (Фиг. 11).
6. Создание эскиза, описывающего профиль лопатки НА. Формирование лопатки НА по полученному эскизу и ее размножение (Фиг. 12).
При изменении параметров отвода и НА происходит автоматическое перестроение параметрической модели в соответствии с деревом ее построения. Сначала изменяется форма заготовки, затем новое положение принимают точки, соответствующие высотам спирали и переводного канала. Связанные с вершинами сплайны, принимая новое положение, формируют поверхность, ограничивающую отвод, с новыми параметрами. Потом перестраивается диффузор и лопатки НА (Фиг. 13).
Далее в ANSYS Solver (Фиг. 14) проводят расчет трехмерного течения в проточной части корпуса центробежного насоса и анализ полученных результатов.
Для CFD-расчета геометрия проточной части корпуса насоса должна быть представлена сеткой контрольных объемов. Для проведения более точного и быстрого расчета расчетные зоны CAD-модели проточной части корпуса насоса должны иметь преимущественно структурированную расчетную сетку, состоящую из шестигранников, хотя в случае сложной геометрии (например, двухзавиткового отвода) возможно создание неструктурированной сетки из четырехгранников.
Сеточный препроцессор ANSYS TurboGrid позволяет создавать структурированные сетки для элементов проточной части корпуса центробежного насоса, но для этого требуется предварительная подготовка геометрии, созданной во внешнем CAD-пакете. Для предварительной подготовки геометрии к трансляции может использоваться ANSYS BladeModeler.
Подготовка импортированной CAD-модели включает в себя следующие этапы:
- импорт геометрии в ANSYS BladeModeler;
- определение характерных сечений;
- создание Flow Path - контура проточной части с помощью ассоциации всех эскизов в соответствии с их локализацией;
- создание слоев Layer - характерных сечений;
- извлечение точек поверхности лопаток с помощью операции Export Points;
- генерация опорных профилей - результат пересечения характерных сечений с поверхностями лопатки;
- экспорт точек профиля в ANSYS TurboGrid.
Предлагаемый способ позволяет создать параметризованную модель направляющего аппарата (НА) и двухзавиткового спирального отвода трапецеидальной формы со скругленными углами в системе CAD-моделирования ANSYS Design Modeler, встроенной в ANSYS Workbench.
Полученная виртуальная модель может применяться для проведения гидродинамических исследований лопаточного направляющего аппарата и двухзавиткового спирального отвода центробежного насоса с целью улучшения их характеристик методом прямой оптимизации. При этом параметрическая модель является устойчивой к изменению геометрических параметров и легкой в построении.
Использование заявляемого изобретения позволяет существенно снизить затраты на параметрическое 3D-моделирование проточной части корпуса центробежного насоса.