Разработка учебного стенда по исследованию рабочих параметров лопастных гидравлических машин.

На сегодняшний день промышленность развивается высокими темпами. Основная её задача заключается в динамичном развитии производства и повышении его эффективности, улучшении качества продукции, росте производительности труда.

Развивающиеся научно-техническая революция (НТР), быстрый рост существующих и появление новых отраслей промышленности вызывает, в свою очередь, необходимость дальнейшего развития системы высшего и среднего специального образования, повышения качества подготовки молодых специалистов для всех отраслей промышленного производства [1].

В связи с этим возникает потребность в высококвалифицированных специалистах. Которые обладают большим багажом знаний и навыков в той или иной отрасли.

Поэтому на данный момент возникает необходимость в совершенствовании средств и методов подготовки молодых и повышения квалификации существующих специалистов.

Одним из основных путей этого совершенствования является развитие и укрепление материально-технических баз учебных заведений. Сюда входят в первую очередь широкое внедрение технических средств обучения, оснащение лабораторий и аудиторий новейшим оборудованием и приборами, модернизация лабораторных стендов и макетов с учётом последних достижений науки и техники на современной компонентной базе [1].

Выполняемые лабораторные работы в ходе учебного процесса являются основным средством изучения и усвоения учебного материала и получения практических навыков по исследованию рабочих параметров лопастных гидравлических машин.

Анализ возможностей представленных на рынке стендов.

На данный момент в России на рынке представлено огромное количество стендов. Для анализа были выбраны два стенда наиболее подходящих к теме исследования. Это комплект учебного-лабораторного оборудования «Механика жидкости» компании ООО «ПО «Зарница» и учебно-лабораторный комплекс «Исследование параметров работы насосов» компании ООО «ЭнергияЛаб».

Первый предназначен для исследования характеристик трубопроводов в зависимости от их диаметра, конфигурации и наличия местных сопротивлений; для наглядной демонстрации режимов течения жидкости; исследования характеристик насосов при различных вариантах включения их в гидросистему [2].

Второй позволяет изучать параметры работы насосов (напор, подача, давление, мощность, допустимая высота всасывания, кпд, кавитация) при различных режимах работы, изучить совместную работу насосов (параллельное, последовательное соединение) и методов регулирования [3]. Позволяет приобрести практические навыки по проведению испытаний насосов, по работе с измерительными приборами и построению эксплуатационных характеристик [3].

Функционал проводимых лабораторных испытаний у рассматриваемых стендов очень схож. Это снятие напорных характеристик при различных местных сопротивлениях, изучение работы насосов при различных способах подключения (параллельное или последовательное), определение потребляемой мощности при различных режимах работы.

Есть и различия. К примеру первый стенд позволяет визуализировать режимы течения жидкости (ламинарный и турбулентный), изучать силовое воздействие незатопленной струи на механическую преграду. А второй стенд позволяет снять кавитационные характеристики центробежного насоса.

Есть у них и ещё одна общая черта которая объединяет практически все современный стенды. Это очень высокая стоимость. Она варьируется в пределах нескольких сотен тысяч рублей до нескольких миллионов.

Проанализировав все достоинства и недостатки современных стендов было принято решение спроектировать собственный стенд и произвести расчёт основных его компонентов таких как насосы в программе ANSYS.

Проектируемый стенд

Проектируемый стенд по исследованию рабочих параметров лопастных гидравлических машин был выполнен в трёхмерной модели в программе КОМПАС - 3D представленную на рис. 1 а. Состоит из неподвижной рамной конструкции, на которой установлены: два циркуляционных насоса; пульт управления на котором располагаются кнопки включения/выключения установки и насосов, дисплей расходомера и ваттметра; бак; система трубопроводов; запорно-регулируемая арматура. Для определения напорной характеристики и подачи система трубопровод снабжена расходомерами и датчиками давления.

а)

б)

Рисунок 1. Стенд по исследованию рабочих параметров лопастных гидравлических машин: а) 3D модель стенда; б) гидравлическая схема стенда

1,3 – насосы; 2, 5, 7, 9 – шаровые краны; 4 – пульт управления; 6 – манометр; 8 – мановакуумметр; 10 – трубопровод; 11 – термометр; 12 – бак; 13 – рама

Основными элементами стенда являются два центробежных насоса (ЦН), параметры которых и требуется исследовать. Для подбора насосов можно использовать методику предварительного расчёта, которая представлен в работе А.А. Ломакина [5]. Это издание является одним из лучших источников информации о ЦН в отечественной литературе. Но для большего удобства и быстроты расчётов можно использовать программы компьютерного моделирования.

В настоящее время ещё на стадии проектирования насосов применение программ компьютерного моделирования просто необходимо. Во многих научно-исследовательских и проектных организациях широко используют программное обеспечение ANSYS [4].

Проектирование центробежного насоса с помощью программы ANSYS существенно облегчает расчёт его параметров. Уменьшает до минимума шанс допустить ошибку, связанную с человеческим фактором.

Программа ANSYS обладает рядом преимуществ, к которым можно отнести: автоматическое построение элементов конструкции насосов (меридианное сечение, профиль лопаток, конструкцию улитки), построение графиков распределения давления и скорости, визуализация движения потоков жидкости, вывод полученных данных.

Для примера приведён расчёт одного из центробежных насосов (ЦН) в среде интегрирования ANSYS Workbench. В модуле Vista Centrifugal Pump Design (CPD) было спроектировано рабочее колесо (РК) насоса в меридианном сечении, улитка и построен график расчётов при одномерном проектировании.

Рисунок 2. Меридианное сечение канала колеса

Рисунок 3. Улитка

Рисунок 4. График расчётов при одномерном проектировании

В модуле DisignModeler и Meshing была создана геометрия проточной части и лопаток рабочего колеса (РК).

Рисунок 5. Насос

Упрощённый анализ центробежного насоса и моделирование течения жидкости в рабочем колесе и связанных с этим процессов производилось в модуле Vista Through Flow и CFX соответственно.

Рисунок 6. Диаграмма давления, окружной скорости, меридианной скорости и ошибок расчёта

Анализ полученных результатов и сравнение двух методов производилось в модуле CFD – Post/Turbo.

Рисунок 7. Сравнительные диаграммы двух методов расчёта

В результате анализа различных методов проектирования в программе ANSYS можно сделать вывод о том, что с помощью неё можно быстро спроектировать довольно сложный для ручного расчёта насос и узнать подойдут ли его параметры для конкретной установки или как в нашем случае учебного стенда. Что в свою очередь сэкономит время при подборе оборудования.