Многопараметрическая оптимизация рабочих колес центробежных насосов низкой быстроходности (ns=40:60) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат технических наук Кац, Артур Михайлович

• Кац, Артур Михайлович
• кандидат технических наук
• 1991

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кац, Артур Михайлович

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КРИТЕРИЕВ ПОДОБИЯ И МЕТОДА

ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

1.1. Методы проектирования рабочих колёс (обзор литературных источников)

1.2. Методы математического моделирования и оптимизации при исследовании центробежных насосов

1.3. Выбор критериев подобия при исследованиях по кавитации и по гидравлическим потерям в рабочих колесах

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕРИИ ЗКСПШШЭДЩЙЫХ

РАБОЧИХ КОЛЕС. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Экспериментальные рабочие колеса

2.2. Экспериментальная установка и измерительные приборы

2.3. Методика проведения энергетических испытаний и первичная обработка их результатов. Оценка погрешностей эксперимента

2.4. Методика проведения балансовых испытаний

2.5. Методика проведения кавитационных испытаний и первичная обработка их результатов

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИОННЫЙ ПОИСК ПО КАВИТАЦИОННОМУ КРИТЕРИЮ.

3.1. Теоретическое исследование влияния параметров рабочего колеса на кавитационный критерий насоса .«.••.•.•*.,.,.,

3.2. Выбор параметров и отклика моделей. Получение математических моделей

3.3. Имитационное исследование модели k 3.4. Оптимизационный поиск параметров модели и ее отклика для номинального режима работы насоса

3.5.Прогнозирование области эксплуатации центробежного насоса по кавитационноэду критерию .••.•

3.6. Определение минимальных значений коэффициента профильного разрежения лопасти рабочего колеса

3.7. Прогнозирование изменения кавитационных критериев насоса

3.8. Принципиальная блок-схема расчета кавитационного запаса насоса на основании проведенных исследований.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИ-ЩОННЫЙ ПОИСК ПО ШЕРГЕТИЧЕСКОМУ КРИТЕРИЮ РАБОЧЕГО КОЛЕСА (ПО ПОТЕРЯМ)

4.1. Результаты балансовых испытаний экспериментального насоса

4.2. Выбор независимых переменных и отклика при анализе гидравлических потерь в рабочих колесах. Получение математической модели и оптимизационный поиск по энергетическому критерию

4.3. Математическое моделирование и оптимизационный поиск по коэффициенту заполнения потоком рабочего колеса на выходе

4.4. Принципиальная блок-схема расчета параметр ров рабочего колеса на основании проведенных исследований

4.5. Испытания центробежного насоса с оптимальным рабочим, колесом, при Kq .= 4,4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многопараметрическая оптимизация рабочих колес центробежных насосов низкой быстроходности (ns=40:60)»

Актуальность работы.

Задача дальнейшего улучшения параметров центробежных насосов решается путем совершенствования проектирования их рабочих органов, включающих подвод, рабочее колесо и отвод. При этом работами многих исследователей доказано, что рабочее колесо, как основной орган, характеризующий динамику центробежного насоса, во многом определяет его антикавитационные качества и оказывает влияние на экономичность насоса.

В настоящее время существует ряд расчетных методов, положенных в основу проектирования рабочих колес, которые дают хорошие результаты. Однако они не позволяют выполнить их проектирование с оптимальными соотношениями геометрических параметров.

Это возможно при проведении комплексных статистических исследований, позволяющих установить оптимальные корреляционные связи между параметрами рабочего колеса, описывающими его конструкцию. Установление таких связей может быть осуществлено на основании проведения многопараметрического физического эксперимента по рабочим колесам и соответствующей обработки его результатов. Последняя включает в себя получение по результатам эксперимента адекватных математических многофакторных моделей и проведение по ним поиска оптимальных соотношений параметров колес, обеспечивающих в пределах выбранных ограничений получение экстремальных значений исследуемых целевых функций.

Сочетание традиционно применяемых методов проектирования (например, метода, основанного на струйной теории) с оптимизационными методами позволяет создать рабочие колеса центробежных насосов с улучшенными энергетическими и антнкавитационными показателями, в связи с чем данная постановка вопроса является актуальной и имеет большой научный и практический интерес.

Цель работы.

Создание рабочих колес центробежных насосов низкой быстроходности с оптимальными соотношениями геометрических параметров, обеспечивающим высокие значения антикавитационных и энергетических показателей*

Задачи работы»

Для достижения указанной цеди были поставлены и решены следующие задачи:

- Выбор в безразмерном виде критериев оптимизации для многофакторного эксперимента и его анализа,

- Разработка методики многофакторного эксперимента и его проведение,

- Анализ результатов эксперимента, математическое модели*» рование и оптимизационный поиск соотношений геометрических и режимных параметров рабочих колес в пределах выбранных ограни** чений по разнородным критериям на расчетном режиме работы насоса,

- Прогнозирование значений кавитационных и энергетических показателей рабочих колес,

- Разработка рекомендаций по прогнозированию диапазона работы насоса с низкими значениями кавитационного запаса при оптимальных соотношениях параметров входа в колесо,

- Разработка методик расчета и проектирования рабочих колес центробежных насосов низкой быстроходности с оптимальными соотношениями параметров, описывающих их конструкцию.

Научная новизна, Обоснован выбор антикавитационного и энергетического критериев, характеризующих работу колес&и насоса,

- По результатам проведения многофакторного эксперимента получены адекватные математические статистические модели, выполнен оптимизационный поиск соотношений геометрических параметров рабочего колеса, обеспечивающий экстремальность значений исследуемых критериев в пределах выбранных ограничений,

- Разработаны методики проектирования рабочих колес с оптимальными соотношениями геометрических параметров, описывающих их конструкцию,

- Разработаны рекомендации по прогнозированию диапазона эксплуатации центробежного насоса с низкими значениями кавита-ционного запаса при оптимальных соотношениях геометрических параметров входа в рабочее колесо.

Практическая ценность.

Созданы рабочие колеса центробежных насосов низкой быстроходности с оптимальными соотношениями геометрических параметров, на которые выданы положительные решения для получения авторских свидетельств.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на двух семинарах "Основы теории насосных агрегатов" в Московском авиационном институте (МАИ), на семинаре кафедры "Газодинамика компрессорных ж криогенных машин" в Московском институте химического машиностроения (МИШ), на заседании секции лопастных насосов ВШИГидромаш.

Реализация работы в промышленности.

Результаты работы использованы при разработке центробежного насоса ВД-180/П0, изготовленного в ПО "Ливгидромаш", прошедшего приемочные испытания и рекомендованного в производство

Публикации.

По материалам диссертаций опубликованы две. статьи, получе нн одно авторское свидетельство и два положительных решения на выдачу авторских свидетельств»

Структура и объем работы

Диссертационная работа включает введение, четыре главы, заключение (198 стр., в том числе 58 рис», 13 табл.), спи-» сок использованной литературы ( 69 наименований), приложение»

Заключение диссертации по теме «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты», Кац, Артур Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании теоретического анализа и экспериментальных данных, а также анализа критериальных уравнений подобия выбраны антикавитационный (кавитационный запас) и энергетический (гидравлический КПД рабочего колеса) критерии рабочего колеса и его геометрические и кинематические параметры, представленные в безразмерном виде для распространения методических основ работы на другие типы центробежных насосов в рамках исследуемого диапазона быстроходностей.

2. Получены математические многофакторные модем (уравнения регрессии), адекватно описывающие, в пределах выбранных ограничений, связь исследуемых критериев с наборами геометрических и кинематических параметров рабочего колеса, определяющих его конструкцию.

3. По математическим моделям выполнен оптимизационный поиск соотношений параметров рабочего колеса, которые, в пределах выбранных ограничений, обеспечивают получение экстремальных значений целевых функций.

Полученные результаты представлены в виде зависимостей параметров рабочего колеса от базового параметра - коэффициента входа в колесо Ко. Сравнение результатов исследований по анти-кавитационному критерию со статистическими экспериментальными данными по центробежным насосам быстроходности fig = 40 * 60 с высокими антикавитационными характеристиками показало, что выполнение оптимального входа в рабочее колесо обеспечивает получение меньших значений кавитационного запаса на 10-12$.

4. Решена задача прогнозирования, при оптимальных соотношениях параметров входа в колесо, коэффициентов подачи КфУ в точке I и /Озг в точке 2, разделяющих среднюю область с меньшими значениями кавитационного запаса от крайних с более высокими его значениями, в зависимости от Ко, числа лопастей Ъ. и втулочного отношения cL .

5. Показано, что установка в спиральный отвод экспериментального центробежного насоса рабочего колеса с оптимальными соотношениями геометрических параметров при Ко = 4,4 позволяет получить в расчетной точке при tig = 45 КПД насоса, равное 70$. Дальнейшее повышение последнего возможно путем оптимизации геометрии спирального отвода,

6. Разработаны методики расчета и выбора оптимальных соотношений геометрических параметров рабочего колеса на стадии проектирования центробежного насоса, позволяющие получить повышенные значения его антикавитационных и энергетических показателей.

7. Достоверность исследований и надежность методик расчета и проектирования рабочих колес подтверждены при создании центробежного насоса ЦН-180/110, обеспечившего высокие антика-витационные и энергетические показатели и рекомендованного в серийное производство.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кац, Артур Михайлович, 1991 год

1. Айзенштейн М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. - М.: Гостоптехиздат, 1957. - 363 с.

2. Алексапольский Д.Я., Малюшенко В.В., Рже баев а Н.К. Определение мощности дискового трения в центробежных насосах с учетом радиального расходного течения и закрутки потока //Гидравлические машины. Харьков, 1977. - Выпуск II. -с, 80-85.

3. Ануфриенко О.С., Кац A.M. Расчет характеристик рабочких колес центробежных насосов //Химическое и нефтяное машиностроение. 1990. - I 4. - с. 4-5.

4. А.с. № 1087692 /СССР/. Экспериментальный центробежный насос. /A.M.Кац, Л.И.Файнберг, П.Р.Хлопенков, Н.С.Яловой. Заявл. 24.12.82 1 3525821/25-06. - Опубл. в Ей № 15, 1984.

5. Байбиков А.С. К расчету потерь на дисковое трение в турбо-машинах //Известия высших учебных заведений. Энергетика. -1971. Jfe I. - с. II5-II9.

6. Васильцов Э.А., Невелич В.В. Герметические электронасосы. Л.: Машиностроение, 1968. - 260 с.

7. Вейснер. Обзор методов учета конечного числа лопастей в рабочих колесах центробежных насосов //Энергетические машины и установки. Труды американского общества инженеров-меха-ников, 1967. В 4. - с. 123-138.

8. Викторов Г.В. Гидродинамическая теория решеток. М.: Высшая школа, 1969. - 368 с.

9. Высокооборотные лопаточные насосы /Под ред. Б.В.Овсянникова и В.Ф.Чебаевского. М.: Машиностроение, 1975. - 336 с.

10. Галёркин 10,Б, Визуализация характерных зон течения в элементах проточной части центробежных компрессоров с помощью напыления мелкодисперсионного твердого красителя //Энергомашиностроение, 1980. - I 5, - с, 2-4,

11. Головин В,А, Исследование ступеней центробежных секционных насосов низкой быстроходности ( tiff- 40) с целью повышения экономичности и уточнения методик их расчета: Автореф. дисс на соиск. учен, степ, канд.техн, наук, Суш, 1972, 16 с

12. Гришин В,К. Статистические методы анализа и планирования экспериментов, М.: изд-во МГУ, 1975, - 128 с.

13. Еремина А.С. Исследование и разработка центробежных насосов со стабильными характеристиками //Отчет ВНИИгидромаш НС--1475, » М,, 1980, « 107 с.

14. Животовский JI.C., Смойловская Л,А. Техническая механик гидросмесей и грунтовые насосы, М,: Машиностроение, 1986,223 с,

15. Ковалев И,А. Исследование путей повышения экономичности ступени центробежного насоса низкой удельной быстроходности (,fljy= 40): Автореф. дисс. на соиск. учен, степ, канд.техн. наук. Харьков, 1970. - 21 с.

16. Косторной С.Д, Исследование рабочего процесса радиально-осевой гидротурбины, спроектированной в вихревом потоке: Автореф, дисс. на соиск, учен. степ. канд. техн. наук, -Харьков, 1968, 19 с.

17. Лившиц СЛ. Аэродинамика центробежных компрессорных машин.- М.: Машиностроение, 1966, 340 с.

18. Малюшенко В.В., Бирюков А.Й., Головин В.А. О влиянии лопасти рабочего колеса на характеристики ступени центробежного насоса с низким коэффициентом быстроходности //Известия высших учебных заведений. Энергетика. «? 1970, № 12.с, 82—88.

19. Малюшенко В.В., Головин В,А. О балансе энергии промежуточной ступени центробежного насоса низкой быстроходности //Энергомашиностроение. 1974, - J 10, «с. 19-22.

20. Малюшенко В.В., Головин В.А, 0 дисковых потерях в ступени центробежного насоса низкой быстроходности //Известия высших учебных заведений. Энергетика. 1974, т 3. - с. II5-I22.

21. Машин А.Н, Влияние спирального отвода на оптимальный режим центробежного насоса: Автореф. дисс. на соиск, учен, степ» канд. техн. наук. Москва, 1953. - 15 с.

22. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1977, 288с.

23. Наумов В.В. Исследование рабочих органов малорасходных насосов низкой быстроходности: Дисс. . канд.техн.наук. -Москва, 1981» 215 с.

24. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. Издание третье, пе-рераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. « 376 с.

25. Пекин В.Ф. Расчет рабочих лопаток насосов центробежного типа методом интегральных уравнений //Отчет ЛИИ. Ленинград, 1937. 70 с.

26. Полоцкий Н.Д., Богницкая Ф.А., Агулышк P.M. Расчет отводящих устройств центробежных насосов /Под ред. Руднева С.С.- М.: 1ЩТИШНШТЙШ, 1967. 47 с.

27. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов*- М»: Машгиз, I960. 683 с.

28. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины.- М.-Л.: Машиностроение , 1969. 335 с.

29. Руднев С«С. Баланс энергии в центробежном насосе //Химическое машиностроение. 1938* - $ 3. - с# 17-26.

30. Руднев С.С. Теоретическое определение параметров, характеризующих работу колес центробежного типа, и анализ экспериментальных характеристик центробежных насосов //Отчет

31. ВИГМ НС-753. М», I960. - 80 с.

32. Руднев С.С., Матвеев М.В. Методическое пособие по курсовому проектированию лопастных насосов. « М.: МВТУ им» Н.Э. Баумана, 1971. 42 с,

33. Руднев С.С., Мелащенко В.И. Обратные течения на входе в рабочее колесо и их влияние на форму напорной характеристики центробежных секционных насосов.//Труды ВНИИгидро-маша. 1968. « Выпуск 37. - с. 167-183.

34. Селезнев К.П., Нодобуев Ю.С., Анисимов С .А. Теория и расчет турбокомпрессоров* Л»: Машиностроение, 1968. - 406 с*

35. Селезнев КЛ», Шкарбуль С.Н. Исследование влияния формы профиля лопатки на структуру потока и эффективность рабочего колеса центробежного компрессора. Труды ЛЕЖ. -1963. - J6 228. - с. 55-62.

36. Селезнев К.П,, Шкарбуль С.Н. Некоторые критерии, определяющие течение в элементах проточной части турбомашин //Шерго-машиностроение. 1972. - № 9.-е. 19-22.

37. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. М.: Машгиз, I960. - 462 с.

38. Суханов Д.Я. Американские центробежные насосы и метод их расчета, М.-Л.: ГОНТИ, 1938. - 72 с.

39. Тимшин А.й. Структура потока на выходе из колеса и ее влияние на характеристики центробежного колеса: Дисе, . канд. техн. наук, Сумы, 1971. - 235 с.

40. Ханин Н.С., Шерстюк А.Н., Зайченко Е,Н., Динеев Ю.Н. Наддув и нагнетатели автомобильных двигателей. М#; Машиностроение, 1965. - 218 с,

41. Хишельблау Д. Анализ процессов статистическими методами.- М.: Мир, 1973, 957 с.

42. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. 532 с,

43. Шемель В.Б. Исследование срывных кавитационных режимов центробежных насосов //Труды ВИГМ /Расчеты и исследования насосов, 1958. - вып., ХХП, - с, 13-29.

44. Шемель В.Б. Оптимальные параметры, определяющие кавитацион-ные качества центробежных насосов //Труды ВИГМ/ Расчеты и исследования насосов. 1958. - вып. ХШ. - с, 30-48.

45. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М,: Мир, 1972,- 381 с.

46. Шкарбуль С.Н. Исследование структуры потока и возникновение потерь в рабочем колесе центробежного компрессора. Научно-технический информ, бюллетень ЛШ. - I96I. - № 5* - с.48-55,

47. Шкарбуль С.Н. Расчет пространственного пограничного слоя во вращающихся каналах центробежных колес //Энергомашиностроение. 1973, - $ I, - с. 14-18.

48. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры, М,: Машгиз, 1959. - 679 с,

49. Этинберг И.Э., Раухман Б.С. Гидродинамика гидравлических турбин, Л.: Машиностроение, 1978. - 280 с,

50. Яловой Н.С. Влияние условий входа в колесо на напорную характеристику ступени конденсатного насоса //Энергомашиностроение, 1976. -Л 10. - с. 18-20.

51. Яловой Н.С. Выбор оптимальных геометрических параметров подводов линейных и малощумных насосов. Отчет ВНИИгидро-маша - НС 1407. - М., 1978, - 298 с.

52. Яловой Н.С, Оптимизация конструкций и показателей качества машин. М,: Издательство стандартов, 1988. - 288 с,

53. Яловой Н.С,, Ксендзовский П.Д., Дитвак А.И. Оптимизация форш элементов гидромашин по данным гидродинамического эксперимента //Труды ВНИИгидромаша/ 1980. - с. IQI-III,

54. Яловой Н.С., Дитвак А.И., Генкин М.Д. Выбор ограничений при решении задач оптимального проектирования элементов машин //Гидроупругие колебания в машинах. М.: Наука, 1982. - с. 88-95.

55. Яловой Н.С., Любимский A.M. Алгоритм и программа многофакторного статистического анализа характеристик потокаво входных патрубках насосов //Труды ВНИИгидромаша/ Исследование, расчет и конструирование гидромашин. 1979. -с. 3-14.

56. Яловой Н.С., Львов А.А., Кац A.M. Оптимизация условий эксплуатации конденсатных насосов /Известия высших учебных заведений. Энергетика. 1986. - Лг 6. - с. II2-II5.

57. ГОСТ 6134-87. Насосы динамические. Методы испытаний. -М.: Издательство стандартов, 1987. 29 с.

58. ГОСТ 6636-69. Нормальные линейные размеры. М.: Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1969. - 5 с,

59. Положительное решение по заявке 1 4728330/29 "Рабочее колесо центробежного насоса" /А.М.Кац, Н.С.Яловой, Р.Н.Соколов, А.Я.Хрусталев. Заявл. 23.06.89.

60. Положительное решение по заявке № 4728468/29 "Рабочее колесо центробежного насоса" /А.М.Кац, Н.С.Яловой, Р.Н.Соколов, А.Я.Хрусталев. Заявл. 23.06.89.

61. Acosta A.J. Ьошегтап R.D. An €xpeiimentai Studuof Ctntufuqai Pump Jtmpdlus.'Tians. of tht ASM£, Nov. /957, \oL 73,No S;PP №<-<859.

62. Dtan R.C., 5enoo Y. Rotating Wakes In the iTandzss Viffuuts-J. of baste &nfLnzzunaJians, of tht ASHE. Set D, Sept. /960, Ш.бг,Но.Ъ, PP56l-57k.

63. Натиск J. Т. iomt atwdunamic LnveittLgatLons in centtifuoat ImpMetsritans. of tht ASME,/956, Ш.78, PP. SB<'603.

64. Johnson J.} GrlnsbuiQ A, Some NAChReitaich on Ctnttifuqai CDmpiessDts,- Tians, oi tht ASME, /953, Vol, 75, No*5, PP 805-817, 1

65. Rut$chi K'} Schuxeiz, Ьаиъ.А/В, /937.р

66. ИКЭД. ИЧ ■«1 ------ 6НИИ еиЭромашЕ