Объект исследования – проточная часть ступени центробежного насоса в составе следующих структурных элементов: рабочее колесо, лопаточный диффузор, обратно-направляющий аппарат. Целью работы является моделирование пространственного течения в межлопаточных каналах и определение характеристик ступени.

В качестве исходных данных использованы твердотельные CAD-модели элементов ступени насоса, ограничивающие её проточную часть. В работе было необходимо определить скорости течения в межлопаточных каналах, выделить линии тока, зоны отрыва потока и рециркуляции и вывести графики и распределения, идентифицирующие их. На стадии предварительных расчётов определено ожидаемое значение напора развиваемого в ступени компрессора, это значение использовано в качестве опорного на выходе ступени для визуализации давления в проточной части.

Для корректного моделирования пространственного течения среды в проточной части ступени насоса на входе колеса, необходимо знать профиль скоростей. В ходе работы принято решение не моделировать проточную часть всасывающей камеры, а для получения корректной картины течения смоделировать кольцевой участок трубопровода на входе для уменьшения влияния граничных условий на распределение скоростей.

Построение расчетной модели насоса

Для улавливания зон отрыва и присоединения в потоке необходимо построить сеточную расчетную модель с высоким разрешением пограничного слоя на всех границах жидкость-стенка. Чтобы определить параметры такого разбиения необходимо предварительно произвести оценку параметров потока вдоль этой стенки, а затем уже выполнить разбиение исходя из полученных значений. Параметры такого разбиения были определены и с их помощью построена сеточная модель проточной части ступени многоступенчатого центробежного насоса. Для построения сетки использован программный модуль ANSYS Meshing.

Начальные и граничные условия

Расчёт производился без учёта теплообмена и сжимаемости. Для определения свойств среды были установлены следующие условия: температура 104 °С, плотность 950 кг/м³, вязкость 0,0002522 Па·с. На входе в колесо задаётся массовый расход 65,97 кг/c (в пересчёте на объёмный 250 м³/ч). На выходе задаётся опорное давление 1.461 МПа (относительно него считаются давления во всех точках, значение взято для получения ориентировочного давления в 1 атм на входе в колесо).  Частота вращения колеса – 3000 об/мин.

Расчет выполнен в программной системе ANSYS CFX. 

Оценка результатов расчета

В качестве выходных параметров расчета получены распределения давлений, меридиональная и окружная компоненты скорости потока в различных точках, распределения вдоль поверхностей лопатки колеса и диффузора, а также средневзвешенные значения по площади в следующих зонах: область рабочего колеса, область лопаточного диффузора, область обратного направляющего аппарата.

Рисунок 5 - Распределение скорости в среднем поперечном сечении проточной части ступени

Рисунок 6 - Распределение полного давления на выходе ступени

Выводы и рекомендации

В работе проведено численное моделирование течения жидкой среды (воды) в проточной части первой ступени центробежного насоса. Определены основные параметры потока как в подвижных элементах ступени насоса, так и в неподвижных, выведены распределения основных непрерывных величин. Полученные данные позволяют определить качественно и количественно процессы переноса жидкой среды, определить напор ступени, зоны рециркуляции и многие другие характеристики насоса.

При моделировании пространственного течения в рабочем колесе на входе обнаружено крайне неравномерное распределение потока в радиальном направлении. В связи с этим, влияние распределения скоростей на входе в колесо на пространственное течение среды в проточной части ступени весьма значительно и необходимо дополнительное исследование с моделированием всасывающей камеры на входе в ступень.

В процессе движения колеса под действием осевых и центробежных сил профиль колеса может изменить своё положение относительно изначального в состоянии покоя. В связи с этим необходимо провести расчёты напряжённо-деформированного состояния для определения реальной геометрии колеса на рабочем режиме работы.

При движении потока за выходом колеса наблюдается значительная диффузорность потока со смещением его в сторону покрывающего диска, при таком движении среды происходят значительные вихреобразования и потери энергии на входе в лопаточный диффузор, а также, из-за больших градиентов давления, может привести к образованию и схлопыванию кавитационных пузырей и эрозии лопаток. В связи с отсутствием данных по изменению положения ротора под действием осевых и центробежных сил, рекомендовано соблюсти соосность диффузора с колесом в меридиональном сечении на месте их сопряжения.