О В Алексенко - Реалізація комплексної моделі відцентрового насоса на базі його макромоделі - страница 1

Страницы:
1  2  3 

ПРИКЛАДНА ГІДРОАЕРОМЕХАНІКА І ТЕПЛОМАСООБМІН

 

 

 

 

УДК 621.22; 621.65

 

РЕАЛІЗАЦІЯ КОМПЛЕКСНОЇ МОДЕЛІ ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСА НА БАЗІ ЙОГО МАКРОМОДЕЛІ

 

О.В. Алексенко

Сумський державний університет

 

У роботі на основі аналізу сучасного досвіду автоматизованого проектування в різних галузях виробництва розроблена ієрархія математичних моделей для проектування насосного устаткування. Розглянуто етапи проектування цих об'єктів і дані рекомендації з вибору рівня моделювання на кожному етапі автоматизованого проектування гідродинамічних насосів. Запропоновано використовувати макромодель, побудовану на основі орієнтовного графа, гілки якого складаються з наборів математичних моделей типових елементів насоса.

 

СУЧАСНИЙ СТАН НАСОСОБУДУВАННЯ Насосні агрегати є поширеним обладнанням у промисловості та аграрному комплексі. Згідно з даними головного інституту СРСР з насособудування «ВНДІГідромаш» насосне обладнання країни споживало до 20 % усієї виробленої електроенергії. При цьому у загальній кількості насосного устаткування насоси динамічного типу складали частку близько 70 % [1]. До цього часу насосний парк України та його якісний склад майже не змінилися, тому що на переобладнання та модернізацію не вистачає коштів. Тому можна впевнено стверджувати про таку ж частку гідродинамічних насосних агрегатів, до яких належать і відцентрові насоси, у загальному енергоспоживанні України, як і за часів

СРСР.

Згідно з умовами ринку була розроблена концепція розвитку насособудування України [2]. Основним принципом розвитку насосного обладнання є перехід до блочно-модульного принципу конструювання та впровадження передових методик проектування. Передбачений новою концепцією розвитку насособудування [1] блочно-модульний принцип проектування потребує вирішення широкого кола питань: розподіл проточної частини насосу на блоки та модулі, з набору яких далі буде формуватися насосний агрегат; створення бази даних блоків та модулів; розроблення зручного інструменту прогнозування характеристик насоса, спроектованого за блочно-модульним принципом.

Використання блочно-модульного конструювання гідродинамічних насосних агрегатів неможливе без модернізації існуючих методик проектування, що є задачею створення науково-методичного забезпечення блочно-модульного проектування насосів. Також для насособудування характерна тенденція впровадження розрахункового експерименту для дослідження конструкцій, що проектуються [3].

Проектування технічного об'єкта починається з отримання технічного завдання. Технічне завдання містить у собі первинний опис об'єкта та вказує діапазон варіації його параметрів. На базі параметрів, заданих утехнічному завданні, виконуються проектні процедури, які призводять до отримання закінченої проектної документації для об'єкта.

Базуючись на встановлених ДСТ 2.103-68 стадіях розроблення, процес проектування відцентрових насосів складається з таких етапів:

1)  обирають число потоків і ступеней насоса, попередньо вибирають
типи підводу та відводу згідно з параметрами, які наведені в технічному
завданні;

2)  за даними, що були отримані на першому етапі, підбирають модельну конструкцію робочого колеса та вносять потрібні зміни в розміри за методами теорії подібності [4], якщо відповідного за параметрами модельного колеса немає, виконують розрахунок розмірів нового колеса за методикою, побудованою на основі загальноприйнятних

підходів [5,6];

3)  розраховують геометричні параметри статорних елементів насоса -підводу та відводу - та допоміжних конструктивних елементів -ущільнень, імпелерів тощо. На цьому етапі відпрацьовуються гідравлічні моделі окремих елементів майбутньої конструкції для отримання потрібних гідравлічних параметрів;

4)  прогнозують енергетичні характеристики насоса на базі функціональної моделі насоса, створеної з розрахованих раніше елементів проточної частини і допоміжного тракту. Якщо ці характеристики не відповідають потребам технічного завдання, з'ясовують, які параметри і як потрібно змінити, щоб забезпечити виконання технічного завдання, та виконують багатоваріантні розрахунки та вибирають раціональні значення параметрів;

5)  створюють дослідний зразок гідродинамічного насосного агрегату та проводять його експериментальні дослідження для встановлення реальних характеристик машини;

Як бачимо з опису етапів проектування відцентрового насоса, на першому етапі виконується структурний синтез насоса, що проектується. Інженер-проектувальник на основі свого досвіду обирає схематичне рішення конструкції насосного агрегату. Від цього вибору залежить, чи буде насос поставлений на виробництво і чи окупляться всі витрати на розроблення.

На другому, третьому і четвертому етапах проводиться параметричний синтез технічного об'єкта. Ці етапи також відповідальні, тому що від якості проектування, наявності зручних та інженерно точних методик розрахунку на цих етапах залежать наступні матеріальні витрати на доведення агрегату.

Традиційно під час проектування гідродинамічних насосів розраховуються параметри та характеристики окремих елементів проточної частини. При цьому не враховується вплив переструмів робочої рідини між проточною частиною (підведення, робоче колесо, відведення) та допоміжним трактом насоса (канали ущільнень, щілини між ротором та корпусом і т.ін.). Враховуючи масштаби проточної частини відцентрових насосів, переструми складають помітну частину витрати робочої рідини через насос і впливають на його характеристики. Крім того, елементи насоса впливають на роботу один одного, що також потрібно враховувати при побудові моделі робочого процесу гідродинамічних насосів.

Цю проблему можна вирішити, якщо автоматизувати етапи проектування та прогнозувати характеристики створюваного насосного агрегату за допомогою розрахункового експерименту. При цьому потрібно розглядати гідродинамічний насосний агрегат як систему, що складається з взаємодіючих один з одним елементів. Тобто будувати розрахунковий експеримент на базі комплексної моделі робочого процесу.

Також треба відмітити, що для нових конструкцій насосів не можна однозначно визначатися із структурною схемою ще під час першого етапу проектування, що традиційно робиться проектувальниками інтуїтивно. Потрібно проводити варіантні розрахунки різних конструктивних схем на перших чотирьох етапах проектування та за одержаними характеристиками вже приймати рішення про оптимальну конструктивну схему гідродинамічного насосного агрегату.

Відповідно до сучасного напрямку розвитку проектування технічних об'єктів маємо тенденцію планомірного переходу до розрахункового експерименту та аналізу різних варіантів конструкції методами математичного моделювання з метою оптимізації та економії витрат. Сутність зазначених тенденцій відносно дослідження лопатевих гідромашин полягає у потребі комплексного проектування їх проточного тракту (проточної частини і допоміжних трактів) з одночасним контролем усіх параметрів насоса, що проектується, та аналізом їх взаємного впливу.

Фактично для виконання структурного синтезу об'єкта потрібно виконувати багатоваріантне дослідження з пошуком раціональної з точки зору технічного завдання конструктивної схеми. Мікрорівень моделювання фізичних процесів на сучасному етапі розвитку технічних засобів не дозволяє проводити чисельне дослідження багатьох модифікацій технічних об'єктів. Тому на етапі створення технічного проекту зручно користуватися макромоделлю досліджуваної системи. Далі, коли вибрано варіант структурної схеми та конструктивного виконання елементів для отримання найбільш точних результатів, доцільно досліджувати систему на мікрорівні.

Реалізувати ці потреби можна завдяки використанню методів макромоделювання для отримання комплексної математичної моделі відцентрового насоса і врахування взаємного впливу елементів. А використання математичних моделей елементів насосів з різною мірою деталізації фізичних процесів, що в них відбуваються, дозволить отримати задовільні з інженерної точки зору результати на кожній стадії розроблення нового гідродинамічного насосного агрегату при використанні єдиних підходів до моделювання.

Таким чином, для переходу до блочно-модульного конструювання насосного обладнання необхідно модернізувати самі методики проектування. Перші етапи проектування гідродинамічних насосних агрегатів, на яких відбувається вибір схематичного рішення та конструкції елементів насоса, завжди відбувалися інтуїтивно на основі досвіду конкретного інженера-проектувальника без раціонального обґрунтування. Сучасний етап розвитку насособудування потребує зменшення, а краще виключення впливу суб'єктивних факторів при розробленні нових конструкцій динамічних насосів та модернізації існуючих. Таким чином, задача створення методики автоматизованого вибору структурної схеми та проектування відцентрових насосів є актуальною. її розроблення та впровадження дозволить прискорити проектування нового насосного обладнання, зменшити його строки та вартість, підвищити його якість та збільшити енергоефективність та конкурентоспроможність самого насосного обладнання.

 

СИСТЕМНИЙ АНАЛІЗ ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСА Для якісного моделювання робочого процесу відцентрового насоса потрібно проаналізувати його як складну систему. Побудова комплексної моделі гідродинамічного насосного агрегату як фізичного об'єкта неможлива без застосування системного аналізу. Основний принцип системного аналізу полягає в розгляді частин системи з урахуванням їхвзаємодії. Системний підхід також містить у собі виявлення структури системи і типізацію зв'язків.

Функціональне призначення гідродинамічного насосного агрегату -перетворення механічної енергії вала, що обертається, у гідравлічну енергію рідини, що перекачується. Робочий процес відцентрового насоса містить взаємозалежні між собою види руху:

-       гідравлічний рух робочої рідини;

-       механічний поступальний рух;

-       механічний обертальний рух.

Тому найбільш повна модель відцентрового насоса як системи повинна складатися з гідравлічної та механічної підсистем. Гідродинамічний насос своє функціональне призначення виконує за рахунок механічних процесів несталого руху окремих елементів. У роботі [7] наведена методика аналізу механічного руху окремих елементів. У даному дослідженні розглядається лише гідравлічна підсистема, а створення механічної підсистеми відцентрових насосів потребує подальшого розвитку в наступних дослідженнях.

При побудові математичної моделі гідравлічної системи відцентрового насоса вочевидь моделюються потоки робочої рідини. Тому перш за все потрібно проаналізувати наявні конструкції гідродинамічних насосів з точки зору кількості потоків та їх напрямків. Можна виділити такі основні конструктивні схеми відцентрових насосів для чистої рідини: однопоточний одноступеневий, однопоточний багатоступеневий та багатопоточний багатоступеневий насос.

Конструкції відцентрових насосів для газорідинних сумішей і забруднених рідин відрізняються від традиційних конструкцій для чистих рідин [8]: мають перерозширену меридіанну проекцію, зменшене число лопатей (z<3), на дисках робочого колеса встановлюються імпелери, ширина порожнин між диском робочого колеса і корпусом насоса у порівнянні зі звичайними відцентровими насосами збільшена. Ці конструктивні особливості вводяться для одержання необхідних експлуатаційних показників, але вони впливають на розподіл енергії в насосі.

Відцентрові насоси мають досить різноманітні структурні схеми та конструюються з великої кількості елементів. В свою чергу, елементи, що складають відцентровий насос, мають різноманітні модифікації. З конструкторської точки зору елементами відцентрового насоса є конструктивні вузли та деталі.

Наведені типи відцентрових насосів мають спільні типи елементів, але найсуттєвішою різницею в них є тип насосного ступеня. Однопотокові відцентрові насоси мають насосний ступінь, що складається з робочого колеса, напрямного апарата, передньої та задньої пазух. Ці елементи утворюють в насосному ступені два контури перетікання - через передню та задню пазухи В багатоступеневому відцентровому насосі насосні ступені утворюють послідовну систему. Двопотокові відцентровий насос має насосний ступінь з двох паралельно з'єднаних найпростіших насосних ступеней без задньої пазухи. Таким чином, найпростіший насосний ступінь має один контур перетікання - через переднє ущільнення.

Традиційно розраховується течія рідини в елементах проточної частини (підводі, робочому колесі та відводі). Але рідина проходить не тільки через канали проточної частини, а й заповнює допоміжний тракт (пазухи, ущільнення, щілини між ротором та корпусом і т.ін.), де також відбувається перетворення енергії робочої рідини, що впливає на параметри насоса в цілому. Гідравлічна підсистема повинна враховувати взаємодію потоків, що проходять через елементи проточної частини та переструми    у    допоміжний    тракт.    Тобто    гідравлічна підсистемавідцентрового насоса, в свою чергу, є системою, що складається з елементів, в яких робочій рідині енергія або передається, або розсіюється.

Вивчати структуру об'єкта і будувати його модель зручно із застосуванням блочно-ієрархічного підходу. При цьому систему поділяють на ієрархічні рівні. Докладність опису процесів, що відбуваються, зростає у ході послідовного спуску за рівнями. На верхньому рівні використовують найменш деталізовані уявлення, що відбивають найзагальніші риси й особливості проектованої системи. На наступних рівнях ступінь докладності опису зростає, при цьому розглядаються окремі блоки системи, але з урахуванням впливу на кожний з них сусідніх. Таким чином, блочно-ієрархічний підхід дозволяє розбити складну задачу на групи задач малої розмірності, що істотно знижує вимоги до використовуваних обчислювальних ресурсів і скорочує час вирішення.

Враховуючи вищесказане, можна зробити висновок, що при моделюванні робочого процесу відцентрового насоса доцільно розглядати як систему взаємодіючих між собою елементів. Потрібно використовувати математичні моделі, які адекватно описують робочий процес динамічного насоса без занадто складного математичного опису та підвищених вимог до ресурсів обчислювальної техніки. Це можливо при застосовуванні для побудови математичної моделі методів макромоделювання та теорії мереж [9,10].

Для практичного застосування підходів макромоделювання необхідно виконати узагальнення методів розрахунку елементів насосів і практично реалізувати їх, як того вимагає обрана методика макромоделювання.

 

ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ КОМПЛЕКСНОї МОДЕЛІ

Методи макромоделювання досить докладно вивчені в сучасній науці, їх алгоритми практично реалізовані в радіоелектроніці [9]. При цьому об'єкт моделюється як граф, і система розглядається як одновимірна. Використання макромоделі дозволяє розглядати насос як систему, елементи якої впливають на параметри один одного. Для адекватного опису фізичних явищ математичні моделі елементів та насоса в цілому використовуються закони збереження маси та енергії. Характеристики елементів можна отримати як експериментальним шляхом, так і за допомогою розрахункового експерименту з використанням математичних моделей мікрорівня. У обох випадках характеристики елементів у макромоделі використовуються як зовнішні. Використання програмних засобів дозволяє передавати від елемента до елемента також допоміжну інформацію про течію. Це дозволяє на основі зовнішніх характеристик окремих елементів одержувати зовнішні характеристики системи в цілому.

Потік у відцентровому насосі єдиний: його структура визначається не тільки геометрією і відносною швидкістю обертання елементів проточної частини, але і їхнім сполученням, віддаленістю один від одного. При усталеному русі абсолютного потоку в нерухомих елементах насоса і відносного - у робочому колесі можливий поділ потоку рідини, що перекачується на ділянки, які відповідають конструктивним елементам проточної частини. У цих умовах можна розглядати задачі про рух потоку в окремих елементах проточної частини і допоміжного тракту [5].

Розрахункова модель відцентрового насоса будується з математичних моделей елементів його проточного тракту. На базі цих зовнішніх характеристик отримуються зовнішні характеристики системи - в даному випадку відцентрового насоса.

Загальні принципи її побудови та обраний метод розв'язання збігаються  з  принципами  та  методами,   використаним  при побудовімакромоделей електричних машин [9,11] та гідравлічних ланцюгів [10]. Однак специфіка будови та робочого процесу насосів обумовила такі відмінності математичних моделей типових елементів та загальної математичної моделі насоса:

a)     особливості моделей типових елементів:

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

О В Алексенко - Технології програмування та створення програмних продуктів

О В Алексенко - Реалізація комплексної моделі відцентрового насоса на базі його макромоделі