Стенд для проведения параметрических испытаний масштабных моделей проточных частей насосного оборудования и масштабная модель насоса
BENCH FOR PARAMETRICAL TESTING OF SCALE MODELS OF FLOW-THROUGH PARTS OF PUMP EQUIPMENT AND SCALE MODEL OF PUMP

Группа изобретений относится к машиностроению, а именно к гидравлическим испытательным стендам, и может быть использована для проведения испытаний масштабных моделей проточных частей центробежных насосов с целью получения их характеристик и расчета характеристик натурного образца насоса.
Известен стенд для испытания насосов (патент RU 121531 U1, МПК F04B 51/00, опубл. 15.05.2012), содержащий замкнутый главный гидравлический контур с установленными в нем испытываемым насосом, расходомерным устройством, трубопроводной арматурой и вспомогательный контур охлаждения рабочей жидкости, причем в главном гидравлическом контуре перед испытываемым насосом размещены последовательно соединенные между собой основной и кавитационный баки, при этом основной бак соединен с вспомогательным контуром охлаждения рабочей жидкости и выходом испытываемого насоса.
Недостатками известного стенда являются: применение в конструкции стенда материалов, подверженных коррозии, что приводит к загрязнению рабочей среды продуктами коррозии, что наряду с отсутствием возможности наблюдения за потоком рабочей среды не позволяет производить исследования кавитации с визуализацией процесса; наличие в конструкции двух последовательно установленных баков основного и кавитационного, что усложняет конструкцию стенда; наличие жесткой механической связи испытуемого насоса с трубопроводами главного гидравлического контура, что приводит к передаче вибраций от насоса на контрольно-измерительные приборы и снижению достоверности полученных характеристик насоса.
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).
Известна модель насоса, содержащая разъемный корпус центробежного нефтяного магистрального насоса, выполненный в виде нижней корпусной детали и крышки, скрепленных шпильками. Корпус центробежного нефтяного магистрального насоса содержит двухзавитковый отвод со смещенными на 180° внешним и внутренним витками, разделенными ребром. Внешний виток включает спиральный, обводной и диффузорный участки. Внутренний виток включает спиральный и диффузорный участки. Направляющий аппарат центробежного нефтяного магистрального насоса содержит кольцо с равномерно расположенными по окружности расширяющимися каналами, сформированными криволинейными лопатками [Патент RU 2615040 С1, МПК F04D 29/42, опубл. 03.04.2017].
Недостатками известной модели насоса являются сложность изготовления монтажа, а также отсутствие возможности визуализации исследования кавитации, все вычисления ведутся по измерениям на входе и выходе.
Наиболее близким к заявленной масштабной модели насоса является известная модель насоса, содержащая корпус с входным отводом и выходным подводом, рабочий орган содержащий рабочее колесо, установленное на валу. Модель насоса изготовлена с использованием 3D принтера. (патент RU 2542160, МПК G06T 17/00, опубл. 20.02.2015).
Недостатком известной модели насоса является невозможность визуального исследования процесса кавитации.
В вышеуказанных моделях насосов широко используется вариантное проектирование - многократная оценка расчетных характеристик насоса с различными геометрическими параметрами, позволяющая найти параметры, обеспечивающие наилучшие характеристики, однако, в данных моделях невозможно осуществить исследование процесса кавитации с визуализацией процесса.
Технической задачей заявленной масштабной модели насоса является обеспечение исследования кавитации с визуализацией процесса и простота монтажа изменяемой проточной части насосного оборудования различной конфигурации, что ведет к снижению затрат на проектирование и изготовление натурного насоса.
Технической задачей на решение которой направлен заявляемый стенд для проведения параметрических испытаний масштабных моделей проточных частей насосного оборудования является повышение точности проведения испытаний за счет снижения уровня вибраций в основном контуре стенда при одновременном расширении возможностей стенда проводить параметрические и кавитационные испытания с визуализацией процессов зарождения и развития кавитации на масштабных моделях проточных частей насосного оборудования различной конфигурации, достоверное определение параметров натурных образцов насосов путем параметрических испытаний их масштабных макетов.
Техническим результатом, на достижение которого направлена группа изобретений, является повышение эффективности работы стенда за счет возможности стенда проводить испытания масштабных моделей проточных частей насосного оборудования различной конфигурации при обеспечении высокой точности и достоверности результатов параметрических и кавитационных испытаний с возможностью визуализацией процессов зарождения и развития кавитации, а также упрощение изготовления и монтажа конструкции масштабной модели насоса.
Указанная техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что стенд для проведения параметрических испытаний масштабных моделей проточных частей насосного оборудования, содержащий основной контур, контур охлаждения, запорно-регулирующую арматуру, расходный бак, устройство для измерения расхода, всасывающий и напорный трубопроводы, также содержит контур вакуумирования, высокоскоростную видеокамеру, автоматизированное рабочее место оператора, при этом всасывающий и напорный трубопроводы выполнены из прозрачного материала, оснащены виброкомпенсаторами с возможностью подключения между ними масштабной модели насоса, при этом расходный бак содержит горизонтальные разделители, а масштабная модель насоса, содержит корпус с входным и отводящим устройствами, рабочее колесо, установленное на валу, при этом корпус выполнен в виде двух разъемных полукорпусов с возможностью установки проточной части масштабной модели различной конфигурации, при этом на одном из разъемных полукорпусов установлена крышка из прозрачного материала.
Развитием и уточнением предлагаемой группой изобретений являются следующие признаки:
- контур вакуумирования содержит вакуумный насос и разделительный бак;
- контур охлаждения содержит теплообменник, циркуляционной насос и вспомогательный насос;
- горизонтальные разделители установлены в нижней трети расходного бака;
- трубопроводы основного контура, контура вакуумирования, контура охлаждения, расходный бак, запорно-регулирующая арматура, виброкомпенсаторы, устройство для измерения расхода выполнены из коррозионностойких материалов;
- проточная часть масштабной модели образована стенками входного устройства, рабочего колеса и отводящего устройства;
- входное устройство, рабочее колесо и отводящее устройство изготовлены из полимера с помощью 3D принтера по аддитивной технологии;
- два разъемных полукорпуса и крышка выполнены из коррозионностойких материалов.
Группа изобретений поясняется графически, где на фиг. 1 изображен общий вид стенда с масштабной моделью насоса, на фиг. 2 изображен вид сверху стенда; на фиг. 3 изображен общий вид масштабной модели насоса.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - основной контур;
2 - масштабная модель насоса;
3 - расходный бак;
4 - запорно-регулирующая арматура;
5 - виброкомпенсатор;
6 - всасывающий трубопровод;
7 - напорный трубопровод;
8 - устройство для измерения расхода;
9 - высокоскоростная видеокамера;
10 - автоматизированное рабочее место оператора;
11 - горизонтальные разделители;
12 - электродвигатель;
13 - контур вакуумирования;
14 - вакуумный насос;
15 - разделительный бак;
16 - контур охлаждения;
17 - теплообменник;
18 - циркуляционный насос;
19 - вспомогательный насос;
20, 21 - полукорпус;
22 - вал;
23 - крышка;
24 - оболочка входного устройства;
25 - оболочка отводящего устройства;
26 - рабочее колесо.
Стенд для проведения параметрических испытаний масштабных моделей проточных частей насосного оборудования (фиг. 1) содержит основной контур 1 с установленной масштабной моделью насоса 2, подключенной к электродвигателю 12, расходный бак 3, высокоскоростную видеокамеру 9, автоматизированное рабочее место оператора 10, контур охлаждения 16 и контур вакуумирования 13.
Основной контур 1 содержит последовательно соединенные между собой запорно-регулирующую арматуру 4, устройство для измерения расхода 8, виброкомпенсатор 5, напорный трубопровод 7, масштабную моделью насоса 2, всасывающий трубопровод 6, виброкомпенсатор 5 и запорно-регулирующую арматуру 4.
Виброкомпенсатор 5 всасывающего трубопровода 6 установлен между всасывающим трубопроводом 6 и запорно-регулирующей арматурой 4.
Виброкомпенсатор 5 напорного трубопровода 7 установлен между напорным трубопроводом 7 и устройством для измерения расхода 8.
Виброкомпенсаторы 5 всасывающего трубопровода 6 и напорного трубопровода 7 обеспечивают компенсации малых угловых и линейных смещений всасывающего 6 и напорного 7 трубопроводов при монтаже масштабной модели насоса 2 и снижения передачи вибрации от масштабной модели насоса 2 на устройство для измерения расхода 8 и другие элементы стенда через всасывающий 6 и напорный 7 трубопроводы.
Всасывающий трубопровод 6 и напорный трубопровод 7 выполнены из прозрачного материала для обеспечения возможности визуализации процессов зарождения и развития кавитации.
Расходный бак 3, служащий накопителем жидкости, необходимой для поддержания постоянства давления и температуры жидкости при определении характеристик масштабной модели насоса 2 с установленной испытуемой проточной частью насоса во время проведения их испытаний, соединен с вспомогательными контурами охлаждения 16 и вакуумирования 13 и основным контуром 1.
Расходный бак 3 выполнен с объемом, превышающем требуемый объем размещаемой в нем жидкости, то есть с возможностью образования свободной поверхности рабочей жидкости в нем. Подача рабочей жидкости из расходного бака 3 в основной контур 1 производится из нижней трети расходного бака 3, в которой размещены горизонтальные разделители 11 способствующие дегазации рабочей жидкости и препятствующие попаданию воздуха в основной контур 1. Выпуск рабочей жидкости из основного контура 1 в расходный бак 3 производится над свободной поверхностью жидкости в нем.
Горизонтальные разделители 11 установлены в нижней трети расходного бака 3 для препятствия попадания воздуха в основной контур 1, образуя более стабильный и освобожденный от воздуха, равноскоростной поток рабочей жидкости в масштабную модель насоса 2, что позволяет с высокой достоверностью получать напорные и энергетические характеристики, в особенности кавитационные характеристики испытываемой проточной части насосного оборудования.
Со стороны крышки 23, выполненной из прозрачного материала, масштабной модели насоса 2 размещена высокоскоростная видеокамера 9, имеющая возможность перемещения вдоль всасывающего трубопровода 6 и напорного трубопровода 7 с установленной между ними масштабной моделью насоса 2. Высокоскоростная видеокамера 9 производит фиксацию течения рабочей жидкости при проведении кавитационных испытаний со скоростью до 40000 кадров/сек и передающая изображение на автоматизированное рабочее место оператора 10 с синхронной записью изображения и параметров работы масштабной модели насоса 2 в базу данных системы управления стендом.
Автоматизированное рабочее место оператора 10 оснащено монитором (на фиг. 1 не показан), позволяющим в реальном времени наблюдать показания устройства для измерения расхода 8 и других датчиков стенда (на фиг. 1 не показаны) и изменение параметров работы стенда. Автоматизированное рабочее место оператора 10 оснащено базой данных системы управления стендом, средствами вывода на печать протоколов испытаний, показаний датчиков и иной информации о ходе испытаний проходящих на стенде (на фиг. 1 не показан).
При проведении кавитационных испытаний для создания разряжения в расходном баке 3 дополнительно задействуется контур вакуумирования 13.
Контур вакуумирования 13 состоит из вакуумного насоса 14 и разделительного бака 15, предназначенного для исключения попадания рабочей жидкости в вакуумный насос 14.
Поскольку электрическая энергия, потребляемая масштабной моделью насоса, в конечном счете преобразуется в тепловую энергию, то для стабилизации температуры потока в основном контуре 1 предусмотрен отбор части рабочей жидкости из расходного бака 3 с помощью циркуляционного насоса 18 для ее охлаждения в контуре охлаждения 16.
Контур охлаждения 16 состоит из теплообменника 17, циркуляционного насоса 18 и вспомогательного насоса 19, соединенных трубопроводами.
Охлаждение осуществляется в теплообменнике 17 за счет теплообмена между рабочей жидкостью и жидкостью с более низкой температурой, подаваемой вспомогательным насосом 19 от внешнего источника. Охлажденная в контуре охлаждения 16 рабочая жидкость поступает обратно в расходный бак 3.
Масштабная модель насоса 2 представляет собой работоспособную уменьшенную модель натурного насоса и состоит из двух разъемных полукорпусов 20, 21 с установленными в них входным устройством 24, отводящим устройством 25 и рабочим колесом 26, стенки которых образуют проточную часть насосного оборудования. Рабочее колесо 26 расположено на валу 22. В полукорпусе 20 установлена крышка 23, изготовленная из прозрачного материала. Вал 22 масштабной модели насоса 2 соединен с электродвигателем 12.
Изготовление корпуса из двух полукорпусов обеспечивает упрощение изготовления, а также монтажа проточной части масштабной модели насоса, при этом наличие прозрачной крышки на одном из полукорпусов обеспечивает возможность визуализации процесса работы масштабной модели насоса.
Входное устройство 24, отводящее устройство 25 и рабочее колесо 26 изготавливаются по 3D моделям, полученным в результате проектирования насоса с применением масштабного коэффициента от 0,3 до 0,5, показывающего соотношение размеров модельного и натурного насосов.
Входное устройство 24, отводящее устройство 25 и рабочее колесо 26 изготавливаются из полимера с помощью 3D принтера по аддитивной технологии.
Разъемные полукорпуса 20, 21 позволяют производить изменение конфигурации проточной части масштабной модели насоса, доработанной по результатам испытаний для получения наилучших характеристик насоса. Изменение конфигурации проточной части насосного оборудования производится путем замены входного устройства 24, отводящего устройства 25 и рабочего колеса 26.
Трубопроводы основного контура 1, контура вакуумирования 13, контура охлаждения 16, расходный бак 3, запорно-регулирующая арматура 4, теплообменник 15, масштабная модель насоса 2, виброкомпенсаторы 5, устройство для измерения расхода 8 выполнены из коррозионностойких материалов для исключения загрязнения рабочей среды продуктами коррозии.
Стенд для проведения параметрических испытаний масштабных моделей проточных частей насосного оборудования работает следующим образом:
Масштабную модель насоса 2 с установленными в ней входным устройством 24, отводящем устройством 25 и рабочим колесом 26 жестко закрепляют фланцевыми соединениями с всасывающим 6 и напорным 7 трубопроводами.
Основной контур 1 и контур охлаждения 14 заполняются рабочей жидкостью. При проведении параметрических испытаний по команде с автоматизированного рабочего места оператора 10 включается электродвигатель 12, приводящий в движение вал 22 масштабной модели насоса 2, рабочая жидкость из нижней трети расходного бака 3, перемещаясь по всасывающему трубопроводу 6 поступает на вход масштабной модели насоса 2. Перекачиваемой рабочей жидкости, сообщается потенциальная энергия давления, и поток с давлением, большим на величину развиваемого масштабной моделью насоса 2 напора, поступает в напорный трубопровод 7 основного контура 1 и далее к устройству для измерения расхода 8 и запорно-регулирующей арматуре 4. На запорно-регулирующей арматуре 4 происходит преобразование энергии давления в кинетическую и далее в тепловую.
Одновременно с помощью запорно-регулирующей арматуры 4 устанавливается заданный режим испытаний проточной части масштабной модели насоса 2 по подаче. Далее поток рабочей жидкости направляется в верхнюю треть расходного бака 3. С помощью устройства для измерения расхода 8 производится измерение подачи масштабной модели насоса 2. Проходя через расходный бак 3, со свободной поверхностью воды в нем, поток успокаивается, проходя через горизонтальные пластины 11, расположенные в нижней трети расходного бака 3 происходит дегазация рабочей жидкости и дальнейшее успокаивание потока, выравнивание поля скоростей потока.
Информация с устройства для измерения расхода 8 и других датчиков стенда (на фиг. 1 не показаны) поступает на автоматизированное рабочее место оператора 10, где на основании известных алгоритмов производится расчет параметров масштабной модели насоса 2 и на основании подобия лопастных машин рассчитываются параметры натурного насоса.
При проведении кавитационных испытаний дополнительно задействуется контур вакуумирования 13. Снятие кавитационной характеристики начинается при давлении на входе в масштабную модель насоса 2, исключающем кавитацию, и оканчивается при полном срыве (резком падении напора или подачи). Высокоскоростную видеокамеру 9 устанавливают так, чтобы в поле зрения высокоскоростной видеокамеры 9 попадала прозрачная крышка 23 масштабной модели насоса 2 или всасывающий трубопровод 6 или напорный трубопровод 7 с установленной между ними масштабной моделью насоса 2. По команде с автоматизированного рабочего места оператора 10 включают высокоскоростную видеокамеру 9, вакуумный насос 14 контура вакуумирования 13, после чего в расходном баке 3 создается необходимое разряжение. Во время кавитационных испытаний производится синхронная запись в базу данных системы управления стендом изображения с высокоскоростной видеокамеры 9 и параметров работы масштабной модели насоса 2.
Заявляемая группа изобретений позволяет проводить испытания масштабных моделей проточных частей насоса и пересчет их параметров на натурный насос с высокой достоверностью и относительно малыми затратами на их изготовление для определения оптимальной геометрии проточной части серийных насосов.