УДК 671.621

СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДА РУЧНОГО РАСЧЁТА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА С АВТОМАТИЧЕСКИМ РАСЧЁТОМ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ ANSYS

Дорофеев Егор Алексеевич1, Овсянников Андрей Юрьевич2
1Омский государственный технический университет, магистрант кафедры гидромеханика и транспортные машины
2Омский государственный технический университет, магистрант кафедры гидромеханика и транспортные машины

Аннотация
Компьютерное моделирование в настоящее время используется широко. В связи с этим возникает вопрос о достоверности результатов, полученных путём автоматического расчёта в программной среде. Данная статья посвящена сравнению результатов расчёта рабочего колеса центробежного насоса, полученных путём ручного расчёта и проектирования с помощью программы ANSYS. Главной целью статьи является оценка расхождения геометрических и динамических параметров рабочего колеса центробежного насоса полученных разными способами расчёта.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, меридианное сечение, метод конечных элементов, метод расчёта, программное обеспечение ANSYS, рабочее колесо, центробежный насос


THE CONTRASTIVE ANALYSIS OF MANUAL CALCULATION METHOD OF THE CENTRIFUGAL PUMP IMPELLER USING AUTOMATIC CALCULATION IN THE ANSYS SOFTWARE ENVIRONMENT

Dorofeev Egor Alekseevich1, Ovsjannikov Andrey Yurevich2
1Omsk State Technical University, student department of hydromechanics and transport machinery
2Omsk State Technical University, student department of hydromechanics and transport machinery

Abstract
Computer modeling is widely used at present time. Therefore it is raised the question about certainty of results received by automatic calculation in software environment. This article is devoted to comparison of the calculation results of the centrifugal pump impeller received by manual calculation and design by the ANSYS program. Main purpose of article is the divergence assessment of the geometrical and dynamic parameters of the centrifugal pump impeller received by different ways of calculation.

Keywords: ANSYS software, calculation method, centrifugal pump, computer modeling, finite elements method, impeller, meridian section


Библиографическая ссылка на статью:
Дорофеев Е.А., Овсянников А.Ю. Сопоставительный анализ метода ручного расчёта рабочего колеса центробежного насоса с автоматическим расчётом в программной среде ANSYS // Современная техника и технологии. 2016. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2016/05/10157 (дата обращения: 26.05.2017).

Центробежный насос – самый распространённый насос из класса динамических машин, в котором движение жидкости и необходимый напор создаются за счёт центробежной силы, возникающей при воздействии лопастей рабочего колеса на жидкость [1]. Рассматриваемый агрегат является основным типом насосов с точки зрения производительности, универсальности и распространённости. 
Предназначение центробежных насосов заключается в осуществлении перекачки воды и других жидкостей в производственно-хозяйственной сфере, в коммунальном водо- и теплоснабжении. В промышленных контурах циркуляции водяного охлаждения, кондиционирования, и водоснабжения технологических операций на АЭС и ТЭС. В химической и нефтяной промышленности для перекачки нефти, нефтепродуктов, сжиженных углеводородных газов [2].
В настоящее время необходимость и эффективность применения современных средств компьютерного моделирования на стадии разработки бесспорно. Во многих научно-исследовательских и проектных организациях широко используют программное обеспечение ANSYS [3].
Проектирование центробежного насоса с помощью программы ANSYS значительно сокращает трудоёмкость расчёта. Исключает вероятность ошибки, вызванную человеческим фактором. Обладает свойством автоматического построения элементов конструкции насоса, визуализацией распределения скорости и давления, графического и численного вывода полученных данных. Особенно эти свойства являются актуальными при выполнении курсового или дипломного проектирования. 
Однако данный метод проектирования имеет ряд недостатков связанных погрешностью приближенных методов линейной алгебры, используемой при расчёте. В программе ANSYS используется наиболее распространенный метод проведения инженерного анализа проектируемого агрегата – это метод конечных элементов (МКЭ). Перечислим недостатки, связанные с применением этого метода. Зависимость расчета от выполняемого пользователем выбора построения сетки конечных элементов. Погрешность МКЭ, связанная с ошибками дискретизации, являющаяся результатом различий между действительной геометрией рассчитываемой области и ее аппроксимацией системой конечных элементов. Ошибки аппроксимации, обусловленные разностью между действительным распределением искомых функций в пределах конечных элементов и их представлением с помощью аппроксимирующих функций [4,5]. Для проектировщика остаётся неизвестно, какие допущения приняты при расчёте. 
Выше перечисленные недостатки, могут привести к неточности расчета, что приведёт к неэффективной работе реального насоса.
На стадии проектировании агрегата проводится предварительный расчёт. Для центробежного насоса (ЦН), весьма подробно и описана методика предварительного расчёта в работе А.А. Ломакина [6]. Это издание является достаточно устаревшим для технической литературы, но по-прежнему остаётся самым лучшим источником информации о ЦН как в отечественной, так и в зарубежной литературе.
В данной статье предлагается сравнить результаты, полученные по методике ручного расчета описанного в [6], с результатами автоматического расчёта в программной среде ANSYS.
Расчёт меридианного сечения канала колеса центробежного, одноступенчатого, горизонтального насоса по методике [6].
Напор ;
Подача, производительность
Число оборотов ;
Давление всасывания .
, коэффициент быстроходности;
, приведенный диаметр колеса;
, гидравлический КПД;
, объёмный КПД;
, механический КПД;
, полный КПД;
, мощность на валу насоса;
, максимальная мощность на валу насоса;
, предварительная величина диаметра вала;
 округляем по ГОСТ 6636-69. 
, диаметр втулки рабочего колеса;
, подача колеса;
, диаметр входного отверстия колеса;
, радиус средней точки входной кромки лопасти;
, переносная скорость;
, скорость потока на входе;
, теоретический напор;
, переносная скорость на выходе;
, радиус наружной окружности колеса;
, ширина канала на выходе;
, меридианная составляющая абсолютной скорости.
По результатам расчёта строим меридианное сечения канала колеса ЦН


Рисунок 1. Меридианное сечение канала колеса

Провидим проектирование меридианного сечения канала колеса центробежного насоса с помощью программного обеспечения ANSYS в модуле Vista Centrifugal Pump Design. Исходные данные вводятся те же.


Рисунок 2. Меридианное сечение канала колеса в среде ANSYS

Сравним геометрические и динамические параметры рабочего колеса, полученные ручным расчётом по А.А. Ломакину со значениями, полученными в программной среде ANSYS.

Таблица 1– Результаты расчётов.

Расчёт по А.А. Ломакину
Расчёт по ANSYS
Погрешность
%
5,5
7,7
1,5
4,7
4,7
2,2
5,4
2,1

Меридианные сечения канала колеса, построенные по результатам ручного расчёта и путём автоматического построения визуально схожи между собой. Левая грань канала имеет точное геометрическое сходство. Правая грань на рисунке более вытянута в вертикальном направлении и имеет более позднее округление. На рисунке правая грань начинает плавно изгибаться от горизонтальной линии соответствующей ширине канала на выходе.
Анализируя таблицу 1 видно, три показателя имеют погрешность около 2%. Четыре других показателя имеют допустимую погрешность около 5%. Значение диаметра втулки имеет расхождение около 7%. Отметим, что величина диаметра втулки определяется путём умножения некоторого выражения на коэффициент, выбираемый из диапазона чисел. Полученная величина погрешности результата диаметра втулки, возможно, связана с использованием разного коэффициента, в методиках расчёта.
Несмотря на недостатки, описанные выше, программное обеспечение ANSYS весьма достоверно проводит расчёт. Результаты, полученные при расчётах разными методами, имеют расхождения в 5 %, что является допустимым значением.


Библиографический список
  1. Поляков В.В., Скворцов Л.С. Насосы и вентиляторы. М.: Стройиздат, 1990. 329 с.: ил.
  2. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчёт и конструирование. М.: Машиностроение, 1977. 288 с.: ил.
  3. Шарапова О.Ю. Сравнение программных продуктов ANSYS и SEDRAT FLUX на примере моделирования индукционной нагревательной установки непрерывного действия // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2011. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=17843157 (дата обращения: 10.02.2016).
  4. Жидков А.В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементарного моделирования: уч. пособие. Нижний Новгород. Нижегор. гос. ун-т. им.Н.И. Лобачевского, 2006. 115 с.
  5. Лешихина И. Е., Мальцева Е.Ю. Инженерный анализ методом конечных элементов // Новые информационные технологии в образовании: материалы VIII международной научной конференции, 10-13 марта 2015 г., Екатеринбург / Рос. гос. проф.-пед. ун-т. Екатеринбург, 2015. – С. 96-100.
  6. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. Ленинград: Машиностроение,1965. 358с.: ил.


Все статьи автора «Дорофеев Егор Алексеевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: