Numeca РоссияТечение в плунжерном насосе: совместный проект CREMHyG и NUMECA International - Numeca Россия

Течение в плунжерном насосе: совместный проект CREMHyG и NUMECA International

Компания NUMECA International представила результаты работы, проведённой совместно с Гренобльским технологическим институтом.

Гренобльский центр исследований и испытаний гидравлических машин (CREMHyG) является испытательной лабораторией гидроэнергетических турбомашин разработки Гренобльского технологического института (Grenoble INP).
Экспериментальная база CREMHyG Lab оснащена установками мощностью до 300 кВт для проведения испытаний в соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии (МЭК). Основная часть испытаний направлена на исследование течений в роторных частях различных машин: турбины Фрэнсиса, реверсивные насосы PSP, осевые индукторы, центробежные или поршневые насосы и другие. Проводятся работы для повышения стабильности и безопасности работы машин в критических условиях, таких как кавитация, многофазный поток и нерасчётные режимы.

Одной из работ лаборатории CREMHyG было испытание плунжерного насоса. При проведении эксперимента плунжерный насос должен был приводиться в действие двигателем мощностью 10 кВт, поэтому первый опытный образец был выполнен в масштабе 1/4. Данную модель впервые исследовали с использованием программного комплекса OMNIS/LB.

«Компания CREMHyG решила использовать NUMECA’s Lattice Boltzmann OMNIS ™ / LB, поскольку им требовалось решение, учитывающее все нюансы представленной геометрии насоса».

Конструкция аксиально-поршневого насоса

justify
Одной из целей данного исследования является разработка осевого многоплунжерного насоса с наклонной пластиной без обратных клапанов для распределения потока к плунжерам. Насос состоит из двух частей: статора, состоящего из двух каналов, которые сообщаются с входом и выходом для распределения потока, и ротора, перемещающего 9 поршней в цилиндре. Электрические и механические приводы позволяют использовать переменные скорости и наклоны пластины для оптимизации всех режимов работы без превышения предельного значения крутящего момента или сильных скачков давления. Каждый поршень взаимодействует со статором, интерфейс ротор-статор расположен на поверхности контакта между вращающимся цилиндром и клапаном.

Моделирование поршневого насоса

Основной целью моделирования является анализ циркуляции потока и переходных процессов с целью предотвращения механических колебаний, связанных с попеременным смещением поршней и взаимодействием ротора и статора. Были проанализированы следующие местоположения: цилиндры, интерфейс статор-ротор (сторона статора), статор, выпускная трубка и впускная трубка.

Тест на анализ производительности

В данной работе CREMHyG анализировали характеристики потока через осевой многоплунжерный насос, чтобы собрать данные для оптимизации конструкции с целью повышения его производительности. Таким образом, изучение общего поведения насоса позволит оценить влияние конструкторских решений на производительность насоса. Для этого компания CREMHyG решила использовать решатель NUMECA OMNIS ™ / LB, базирующийся на методе решётчатых уравнений Больцмана, поскольку им требовался решатель, хорошо приспособленный к сложной геометрии и сложным перемещениям.

На основании предварительного CAD-проекта насоса и имитационной модели, учитывающей смещение всех поршней (вращение и перемещение), была создана CFD модель, позволяющая выявить колебания давления и его распределение, а также оценить общие характеристики, касающиеся крутящего момента и мощности.

Чтобы понять поведение плунжерного насоса, при одной и той же скорости нагнетания были смоделированы два различных режима и давления на выходе:

Анализировались следующие параметры потока:

Результаты

1. Относительное давление

Цикл по давлению имеет линейный характер, поскольку в обоих случаях не было обнаружено существенных различий в форме графиков, однако риск кавитации выше в варианта №2, так как область низкого давления находится в начале такта впуска. Значительные колебания давления реализуются на границе ротор/статор интерфейса, где соприкасаются области жидкости при различных давлениях. Следовательно, основная гармоника этих колебаний соответствует произведению скорости вращения и числа поршней. Возможно, что амплитуда также коррелирует с разницей давления между входом и выходом, так что линейность сохраняется. Эти колебания давления распространяются по всему насосу, вызывая нестационарные возмущения линий тока.

2. Массовый расход

Поля значений массового расхода показывают, что в целом, в статоре, вблизи границы раздела, наблюдается очень сложное течение. Это особенно важно в цилиндрах, а также во входных и выходных каналах, где есть нежелательная область обратных течений, присутствие которой можно избежать, улучшив конструкцию. Варианты 1 и 2 были выбраны таким образом, чтобы они достигли одинакового массового расхода. Свойство линейности снова сохраняется, но колебания массового расхода в цилиндрах возникают только в случае 2 (более высокое давление и малый ход поршня) в начале такта впуска. Поведение для остальной части цикла имеет вид гладкой синусоидальной кривой. Суммирование массового расхода во всех цилиндрах дает довольно равномерный поток от входа к выходу.

3. Крутящий момент

Вклад каждого поршня в крутящий момент во время такта впуска незначителен (красная кривая). Только во время такта выпуска поршень оказывает существенное усилие на жидкость под давлением. Максимальный крутящий момент достигается, когда поршень движется с максимальной скоростью, то есть в середине хода. Поскольку крутящий момент напрямую связан с давлением, выводы будут аналогичны.

4. Мощность

Общая гидравлическая мощность была получена из произведения крутящего момента и скорости вращения. Поскольку вариант 2 имеет большую скорость вращения, мощность также больше.

Выводы

С помощью методологии и инструментов моделирования, предложенных компанией NUMECA, CREMHyG смогли сравнить рабочие характеристики при различных условиях эксплуатации насоса. Предсказание давления и скорости в потоке через насос, данное OMNIS ™ / LB, обеспечивает превосходное качество результатов, и при этом сокращает временные затраты. Моделирование CFD, представленное здесь, позволило проверить предварительный проект и лучше определить конструкцию экспериментальной установки.

Поток в насосе очень сложен из-за последовательного движения поршней. Ротор/статор интерфейс, без шаровых кранов, специфичен для этого типа насоса и создает волны давления, возникающие, когда области очень разного давления открываются мгновенно. Амплитуда колебаний давления, по-видимому, ведет себя линейно с перепадом давления между входом и выходом. Следовательно, риск кавитации увеличивается в области интерфейса на каждом проходе поршня в зависимости от градиента давления. Области обратного потока были идентифицированы на входе и выходе статора, и его интенсивность


Оригинал статьи на сайте NUMECA Int