Публикации
MSI: Анализ сложных водяных насосов
с помощью STAR-CCM+
В проектировании современного турбинного оборудования для силовых установок, работающих на топливе, ядерной или возобновляемой энергии, встречается много трудностей. Оно должно:
-
быть рентабельным, экологически безопасным, надежным в эксплуатации,
-
отвечать установленным государством требованиям относительно уровня выброса вредных веществ,
-
быть быстрым и действенным в проектировании для насосов / турбин и модернизации / переоснащения по индивидуальному заказу,
-
иметь хорошие показатели точки оптимального КПД, устойчиво функционировать в нерасчетном режиме,
-
быть минимально подверженным ремонту / перебоям в работе из-за кавитации, износа, эрозии, вибрации и т.д.
Цветовые палитры являются большой и важной частью визуализации, так как при их правильном и эффективном применении, мы сможем различить много эффектов.
Heraeus Noblelight - крупное бизнес-подразделение компании Heraeus (Ханау, Германия), которое занимает ведущие позиции среди лидеров на мировом технологическом рынке специальных ламп
Эти проблемы влекут за собой то, что традиционная методика проектирование-тестирование-корректировка уже не так рентабельна и выгодна. Проектировщики турбинного оборудования применяют более передовые технологии, используя программы компьютерного проектирования / конструирования / разработки (CAD/CAE/CAM) для виртуального создания прототипов, оптимизации и устранения неполадок. Такие инструменты моделирования позволяют проектировщикам точно рассчитать производительность еще на стадии разработки, проанализировать несколько проектов, уменьшить зависимость разработки от различных физических прототипов и дорогого тестирования, оптимизировать проектирование для максимальной производительности и сократить время и затраты на производство.
Корпорация Mechanical Solutions Inc. (MSI) специализируется на проектировании оборудования и динамическом анализе для жидких сред, а также на механическом проектировании и анализе. В энергетической отрасли основными задачами MSI является анализ, тестирование и устранение любых неполадок ротационного, поршневого и турбинного оборудования с помощью комплексного анализа и тестирования. Эта статья на примере решения проблем в проектировании водяных насосов производства MSI показывает использование ведущей в области проектирования программы STAR-CCM+ разработки CD-adapco.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДЯНЫХ НАСОСОВ С ПОМОЩЬЮ STAR-CCM+
Такие функции, как расчет нестационарных течений, моделирование нестационарных кавитационных течений, движение твердого тела для поворотных доменов, автоматизированные неструктурированные сетки для сложной геометрии и параллельная обработка, дают возможность экономично исследовать несколько конструкций водяных насосов. STAR-CCM+ позволяет с легкостью рассчитывать производительность насоса еще на стадии проектирования и в нерасчетном режиме, а также избежать повреждений при кавитации и эрозии.
РИС. 3: Доля пара на рабочем колесе с кавитацией при разных показателях давления на впуске
ПРИМЕР 1:ДВОЙНОЙ ПОРШНЕВОЙ НАСОС
Перед MSI стояла задача проанализировать модель двойного поршневого насоса и проверить, сможет ли он справиться с заявленной заказчиком нагрузкой. Насос представляет собой сложную центробежную конструкцию с улучшенной кавитационной характеристикой. Эта конструкция предусматривает забор жидкости сверху насоса с ее разделением вниз по центру корпуса. Это уменьшает радиальную нагрузку и разгружает рабочие колеса по обе стороны, ведущие к улитке насоса. Всасываемый поток равномерно распределяется между двумя рабочими колесами. MSI использовала программу STAR-CCM+, чтобы смоделировать сложную физику насоса, а именно нестацонарные потоки в диапазоне направлений 360 градусов, ротационную (вращающуюся) геометрию и нестационарный процесс кавитации. При моделировании в целях экономии времени использовалась симметрия задачи. Также были смоделированы впускной клапан, рабочее колесо и улитка. Автоматизированная полиэдрическая сетка STAR-CCM+ была использована для дискретизации области течения. Была циклически смоделирована сетка для одной лопасти, а затем она была объединена, чтобы создать полную единую сетку для всего рабочего колеса. Поверхность автоматически была покрыта призматическими клетками. В окончательном варианте сетка состояла из 5 млн. объемных клеток. На Рис. 1 показаны геометрия и сетка траектории потока.
Раздельный решатель использовался со схемой конвекции второго порядка и моделью турбулентности SST k-ω. Модель VOF использовалась для описания интерфкйса вода-пар и для моделирования кавитации была выбрана модель Rayleigh-Plesset. Давление задавалось на входе (inlet) и массовый поток был задан на входе и выходе. Вращающееся рабочее колесо находилось под поверхностью жидкости, и домену сообщалась скорость вращения рабочего колеса посредством RBM. Для моделирования одного полного оборота рабочего колеса и 20 внутренних итераций за определенный промежуток времени были выставлены непостоянный временной интервал и общее время. Моделирование проводилось в течение нескольких полных оборотов, пока мониторы давления, крутящего момента и массового потока не показали цикличность работы.
Изолиния скорости (Рис. 2) показывает постоянный поток вокруг рабочего колеса, общий объемный расход и рециркуляцию рядом с разделителем. Из-за ограниченного осевого размера насоса рядом с клапаном впуска и улиткой было выявлено несколько рециркуляций. Неравномерность потока при этом была нежелательна, но пришлось ее принять, так как увеличение осевого размера для большей равномерности было ранее невозможным. На Рис. 3 показана доля пара на рабочем колесе. Синим цветом обозначена вода, красным - водяной пар. На рисунке видно, что при высоком давлении (175 кПа) кавитация на рабочем колесе минимальна и повышается она, когда общее давление на впуске увеличивается.
На Рис. 4 сравниваются допускаемый кавитационный запас насоса (NPSH), рассчитанный производителем на стадии тестирования и показатели массового потока, рассчитанные STAR-CCM+. Эта программа позволяет точно рассчитать возможный сбой производительности насоса при низком NPSH и сниженном давлении впуска, а также провести сравнение с экспериментальными данными. Используя STAR-CCM+, MSI удалось построить кривую NPSH при показателях массового потока в 70%, 110% и 150%. Основываясь на моделировании STAR-CCM+, заказчик смог устранить недочеты в проектировании и сертифицировать товар с учетом кавитационных характеристик.
ПРИМЕР 2:ВЕРТИКАЛЬНЫЙ НАСОС ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАВОДКОВ
Это исследование проводилось на примере большого осевого насоса для города Новый Орлеан, который способен устойчиво работать при суровых погодных условиях. Такие насосы были спроектированы специально для удаления избытка воды в городе во время наводнений. MSI участвовала в анализе проблем резонанса и вибрации насоса, возникших из-за его высокой чувствительности. Насос имеет большой впускной клапан, рабочее колесо диаметром более метра, лопастной диффузор, внутренний вал, выводящую лопасть, крепящуюся к ведущим и отводную трубу. Сложная геометрия насоса была перенесена в STAR-CCM+ и дискретизирована с помощью полиэдрической сетки. На Рис. 5 показана сложная геометрия и сетка потока.
Раздельный решатель использовался со схемой конвекции второго порядка и моделью турбулентности k-epsilon. В качестве рабочей жидкости была выбрана вода при стандартной температуре и давлении. Были заданы пограничные показатели впуска, статическое давление на выходе и угловая скорость в среде, окружающей рабочее колесо. Было проведено моделирование переходных состояний, чтобы определить полный оборот рабочего колеса и 20 внутренних итераций за определенный временной интервал. Моделирование проводилось во время нескольких полных оборотов, пока мониторы давления, крутящего момента и массового потока не показали цикличность работы.
На Рис. 6 показана скорость в диаметральной плоскости насоса. Здесь же изображен вихревой поток, проходящий через область выхода. Благодаря STAR-CCM+, MSI использовала для частотного анализа LabVIEW показатели траектории давления, а не экспериментальные данные. Эти показатели на каждой поверхности в среде были обработаны в частотной среде в LabVIEW при помощи Fast Forier Transform (FFT) для спектрального анализа, в ходе которого были выявлены частоты колебаний в потоке (Рис. 7). Полученные показатели частот были проанализированы в программе модального анализа. В проекте насоса не было выявлено никаких проблем по вибрации/резонансу.
ПРИМЕР 3:МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ НАСОС
В этом исследовании детально разобрано моделирование для многоступенчатого насоса, проведенное MSI для заказчика, заинтересованного в анализе производительности насоса с нестандартной выпускной трубой. Многоступенчатый центробежный насос предназначен для обеспечения большего объема полного напора. При анализе было важно, чтобы средство моделирования распознало всю сложную физику насоса, а именно: сложные нестационарные течения, вторичные потоки, вращающение оборудования. Был смоделирован поток, проходящий через входной клапан по двум ступеням с двумя рабочими колесами и выходящий через улитку. Специальное устройство перенаправляет часть выходящего потока обратно к входному клапану. Насос имел очень сложную траекторию первичного и вторичного потока и имел увеличенную кавитацию.
Расчетная область жидкой среды многоступенчатого насоса состоит из впуска, выпуска, первичных и вторичных потоков и поверхностей, соединяющих стационарные и вращающиеся области. На Рис. 8 показана геометрия и сетка насоса. При моделировании стационарные и ротационные области были соединены в общей сложности восемью первичными и вторичными поверхностями. STAR-CCM+ использовалась для определения потоков вокруг рабочего колеса, областей кавитации спереди и сзади каждого элемента, а также потоков внутри труб, соединяющих впуск и выпуск.
На Рис. 9 сравниваются контуры потоков при низких и высоких показателях. При слабом потоке течения с левой стороны корпуса по своим характеристикам отличаются от течений справа, где они перекрываются. Это создает асимметрию с левой стороны. При сильном потоке течение вихреобразно, но с обеих сторон наблюдается больше симметрии. На Рис. 10 показан полный напор насоса при разных показателях течения. По наблюдениям заказчика показатели уровня полного напора выросли. Из моделирования с помощью STAR-CCM+ стало ясно, что неоднородность потока являлся причиной снижения производительности насоса при низких показателях течения. Этот анализ и наблюдение были очень полезны для заказчика: проект был переработан с учетом этой проблемы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
MSI успешно использует программу STAR-CCM+ в своем рабочем процессе как действенный инструмент проектирования и устранения неполадок. Теперь MSI работает с продвинутым, точным решателем программы STAR-CCM+, который обеспечивает быстрый, экономичный процесс проектирования для решения сложных проблем с гидравлическим турбинным оборудованием. Рассмотренные в статье примеры исследований еще раз подчеркивают преимущества численного моделирования в STAR-CCM+ для проектирования турбинного оборудования и промышленного анализа. Благодаря STAR-CCM+ у MSI появилось много плюсов в проектировании турбинного оборудования:
-
Довольные заказчики,
-
Больше новых клиентов,
-
Лучшее проектирование насосов с большей производительностью,
-
Лучшее понимание работы системы по сравнению с тем, что можно извлечь из экспериментов.
Авторы статьи: Эдвард Беннет, Артем Иващенко, (MSI)
Источник: журнал Dynamics, № 38 2015, стр. 55-59
