Сопоставительный анализ метода ручного расчёта рабочего колеса центробежного насоса с автоматическим расчётом в программной среде ANSYS

Дорофеев Егор Алексеевич — Tue, 31 May 2016 19:08:59 +0000

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.

Электронный научно-практический журнал «Современная техника и технологии» » meridian section

Сопоставительный анализ метода ручного расчёта рабочего колеса центробежного насоса с автоматическим расчётом в программной среде ANSYS