Исследование влияния рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства центробежных насосов

Актуальность работы. Огромное количество насосного оборудования, эксплуатирующегося во всевозможных системах, включая крупные энергетические объекты, промышленные предприятия, бытовые и многие другие, имеет широкий диапазон режимов работы, причем надежность и стабильность работы всех систем во многом зависит от надежной работы насосных агрегатов, выход из строя которых, в некоторых случаях приводит к останову системы в целом и соответственно к большим финансовым потерям. На работу насосного агрегата действуют разнообразные факторы, такие как конструкция, качество изготовления, режимы эксплуатации, уровень обслуживания, свойства рабочей жидкости, а так же внешние возмущающие воздействия и ограничения, накладываемые гидросистемой. Значительное влияние на эффективность работы насосных агрегатов оказывают физико-химические свойства рабочей среды, способные привести к развитию кавитационных процессов. Последние могут являться причиной преждевременного выхода насоса из строя.

Контроль состояния водных режимов теплоносителя на электростанциях является одной из важнейших задач, решаемых персоналом ТЭС. Анализ работы технологических циклов данных объектов показывает, что на один из основных параметров жидкости как давление насыщенного пара, существенным образом влияет водородный показатель жидкости — рН. Проводимые ранее работы по влиянию рН рабочей среды были связаны с процессами протекаемыми в турбине, конденсаторе, парогенераторе. Эти исследования выявили существенные изменения рН среды по всем поверхностям исследуемого оборудования, а так же значительное влияние* водородного показателя среды на работу и надежность этого оборудования. В рамках комплексного рассмотрения всего теплотехнического оборудования, ставится задача установления влияния рН рабочей среды на устойчивую работу насосного оборудования, которое так же подвергается воздействиям со стороны рабочей жидкости.

Цель работы. Экспериментальные и расчетно-теоретические исследования энерго-кавитационных процессов в центробежных насосах при различных кислотно-щелочных показателях рабочей жидкости с целью прогнозирования надежности функционирования насосного оборудования. Основные задачи работы.

•S Установить влияние рН рабочей среды на работу центробежных насосов.

S Вывести зависимость допустимого кавитационного запаса центробежных насосов в зависимости от рН рабочей среды Ahdon = /(рН).

S Исследовать в канонической области, типа трубы Вентури, процессы возникновения кавитации в зависимости от рН рабочей среды.

S Осуществить расчетно-теоретический анализ гидродинамических качеств бустерного насоса типа ПД 650−160 с использованием 3D — метода МЭИ.

•S Расширить 3-D метод МЭИ, с учетом влияния рН рабочей среды на кавитационные свойства центробежных насосов. Научная новизна работы состоит в следующем:

S Установлено влияние рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства центробежных насосов.

•S Выведена зависимость (ЛАйои = /(рН)) на основе серии экспериментов с использованием теории планирования эксперимента, позволяющая прогнозировать изменение кавитационных характеристик центробежного насоса при отклонении рН рабочей среды от нейтральных значений.

S Проведена серия экспериментов по исследованию влияния рН рабочей среды на развитие кавитационных процессов в канонической области типа трубы Вентури.

Практическая ценность.

S Определено влияние водородного показателя рабочей среды на кавитационные свойства центробежных насосов с получением новой зависимости, позволяющей прогнозировать поведение насосного агрегата в зависимости от изменения рН от нейтральных значений.

S Получена более достоверная информация о состоянии насосного оборудования в условиях эксплуатации с учетом реальных характеристик рабочей среды.

S Показана необходимость учета влияния рН рабочей среды для гидравлического оборудования в целом.

S Осуществлено расширение 3-D метода МЭИ, с использованием выведенного критерия, позволяющее учитывать изменение получаемых характеристик с учетом переменных рН рабочей среды. Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается:

S использованием апробированных методик проведения исследований, современного оборудования и средств измерений;

S удовлетворительной сходимостью результатов исследований при многократных повторениях;

S согласованием отдельных результатов с данными других авторов. Апробация работы.

Результаты работы доложены и обсуждены на:

S На заседаниях кафедры «Гидромеханики и гидравлических машин» МЭИ (ТУ), 2003 и 2004 г.

S На заседаниях НЦ «Износостойкость» МЭИ (ТУ), 2002;2004 г. S Московской студенческой научно-технической конференции «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Москва, МЭИ (ТУ), 2002).

S V и VI Международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (Пермь, 2002, 2003 гг.),.

•S Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2003 г.),.

•S Международной технической конференции «Насосы. Проблемы и решения», проводимой в рамках Междунардной специализированной выставки «Насосы — 2003» Международного форума «Насосы. Компрессоры. Арматура» (Москва 2003).

S Международной технической конференции «Гидромашиностроение. Настоящее и будущее», проводимой в рамках Международной специализированной выставки «Насосы — 2004» Международного форума «Насосы. Компрессоры. Арматура» (Москва 2004).

S Работа премирована на конкурсе на соискание премий Правительства Москвы молодым ученым города в области технических, естественных и гуманитарных наук, проводимым Департаментом науки и промышленной политики ОАО «Московский комитет по науке и технологиям» в 2004 г. Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 тезисов научных докладов и статей, а так же выполнено 6 отчетов по завершенным НИР.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 131 стр., включая 40 рисунков и 16 таблиц.

Список литературы

состоит из 110 наименований.

3.5. Выводы по главе 3.

Результатами данной главы являются:

• Проектирование и изготовление канонической области в виде трубы Вентури для проведения экспериментальных исследований развития кавитационных процессов в канонической области;

• Экспериментальные исследования канонической области в виде трубы Вентури на кавитационные свойства при различных значениях рН рабочей среды количественным и визуальным способами.

4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ БУСТЕРИОГО НАСОСА ПД-650−160 С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ РН ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ.

4.1. Анализ расчетно-теоретических методов исследования насосного оборудования.

Основной задачей гидродинамических расчетов является создание высокоэффективной проточной части, обеспечивающей требуемые показатели качества лопастных гидромашин. Решение этой задачи невозможно без теоретического и экспериментального исследования рабочего процесса.

Сложные формы лопастной системы значительно затрудняют расчет течения жидкости в рабочем колесе гидротурбины или насоса, поскольку реальное течение значительно трехмерно, турбулентно и нестационарно. Поэтому в теории гидромашин рассматриваются упрощенные методы течения, позволяющие получать приближенное решение задачи.

В настоящее время имеются различные методы решения прямой задачи /21, 66, 67/. Расчетные данные используют для анализа гидродинамических характеристик и оценки показателей работоспособности качеств рабочего колеса и отбора лучших расчетных вариантов для их последующей экспериментальной проверки.

Исторически простейшей является модель, основанная на применении методов одномерной (струйной) теории. В основе ее лежат следующие допущения: vТечение жидкости в проточной части проходит по заданным осесимметричным поверхностям, имеющую общую ось, совпадающую с осью гидромашины, «vТечение на каждой осесимметричной поверхности рассматривается изолированно, без учета взаимодействия течений на этих поверхностях.

— фПоток удовлетворяет условию осевой симметрии, т. е. лопастная система имеет бесконечно большое бесконечно тонких лопастей. При таком подходе параметры потока на каждой поверхности тока зависят только от одной координаты, например, длины дуги, отсчитываемой вдоль меридианной линии тока.

Значительным шагом вперед являлось решение двухмерных задач гидродинамики турбомашин, основными из которых являются задачи осесимметричного течения жидкости. При этом в задачах осесимметричного течения не учитывается неравномерность потока по окружной координате, что приводит как и в одномерной теории, к схеме бесконечно большого числа бесконечно тонких лопастей.

Трудности постановки практической реализации трехмерного течения даже для идеальной жидкости привели к разработке расчета трехмерного течения в турбомашинах By на основе квазитрехмерной модели течения.

Викторов Г. В., в рамках теории псевдоаналитических функций, предложил метод трехмерного расчета JIC гидромашин, сводящийся к удобной для реализации на ЭВМ совокупности интегральных соотношений и регулярных, либо сингулярных уравнений относительно потенциала скорости или ее составляющих /20/.

В современной теории решеток, в связи с необходимостью увеличения достоверности получаемых результатов разрабатываются методы решения собственно пространственных задач дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых течений в проточных частях гидромашин. Расчетные модели данных подходов базируются на использовании непосредственно дифференциальных уравнений движения сплошной среды, вариационных принципов механики, математического изоморфизма, методов особенностей, скалярного и векторного потенциалов.

Численная процедура решения гидродинамических задач для установившихся дозвуковых течений основана на применении различных модификаций методов кривизны линий тока, конечных разностей и конечных элементов, метода контрольных объемов, алгебраического метода аппроксимации интегральных уравнений.

Моргуновым Г. М. развит интегральный метод расчета стационарного обтекания JTC гидромашин с приближенным учетом вязкости. Известно, что применение интегральных представлений для функций поля имеет ряд преимуществ /63, 64, 68/. На этапе расчета трехмерного потенциального потока, вносящего основной вклад в решение функций скорости и давления. Вычисления составляющих скорости осуществляется не по области, а по ее границе, тем самым понижая порядок решаемой системы.

Для осесимметричных задач известны различные постановки и методы решения обратных задач. Практически все они разрабатывались в двухмерной постановке, при этом используя: метод подъемных сил, годографа скорости, метод решения задач в канонических областях, метод особенностей и др.

Метод подъемных сил, основанный Н. Е. Жуковским, явился первым методом проектирования лопастей осевых турбин и насосов. Однако при таком расчете обеспечивается лишь заданная циркуляция, а распределение скоростей и давлений остается неизвестным.

Метод годографа скорости возник и был развит Н. Е. Жуковским и С. А. Чаплыгиным. В применении к обратной задаче существо метода состоит в том, что комплексный потенциал искомого течения рассматривается как аналитическая функция комплексно-сопряженной скорости, заданной в области годографа скорости. Данный метод не гарантирует получение профиля, отвечающего конструктивным требованиям.

Бауэрсфельд предложил решение обратной осесимметричной задачи в случае потенциального мередианного потока. Вознесенский И. Н. обобщил данный метод для вихревого, в пределах РК, меридианального потока.

Широкое применение в решении обратных задач нашел метод особенностей, позволяющий получить профили в решетке с желаемым распределением скоростей и заданными конструктивными параметрами.

Метод особенностей получил свое развитие в работах советских и зарубежных авторов, а в дальнейшем был обобщен для решеток расположенных на поверхностях вращения в слое переменной толщины.

Развитие трехмерных и квазитрехмерных методов расчета позволило более обоснованно прогнозировать гидравлические показатели гидромашин и проводить на стадии проектирования расчетно-теоретические исследования.

Метод решения прямой гидродинамической задачи МЭИ (3-D метод МЭИ), обладает повышенной точностью решения, позволяющий проводить анализ по широкому спектру интегральных и локальных показателей качества, получаемых в результате решения прямой трехмерной задачи.

Практические результаты проектирования насосных рабочих колес данным методом подтвердили его перспективность, достаточную эффективность и экономичность с точки зрения затрат инженерного труда и использования средств машинной под держки.

4.2. .Характеристика 3-D метода МЭИ.

В МЭИ создан и реализован на ЭВМ метод расчета пространственного обтекания лопастных систем гидромашин квазиустановившимся потоком вязкой жидкости, основанный на интегральных представлениях трехмерной теории поля. Используемые численные процедуры обладают повышенной I точностью в сравнении с известными методами конечных разностей, элементов, контрольных объемов.

В результате решения задачи определяются:

1. Поля скоростей, статического давления, вихря и других параметров в межлопастном канале, в подобластях перед и за лопастной системой (примерно на расстоянии среднего шага пространственной решетки) и на твердых границах выделенной области течения;

2. Касательные напряжения на твердых стенках;

3. Интегральные гидродинамические параметры лопастной системы, в частности, создаваемая или срабатываемая циркуляции скорости, коэффициенты трения, индуктивного сопротивления, кавитации и др.

Получаемая информация используется для анализа энергетических, кавитационных и эрозионных качеств рабочих колес и направляющих аппаратов. В частности, по циркуляции скорости можно определить теоретический напор РК, коэффициенты трения и индуктивного сопротивления позволяют провести сравнительную оценку гидравлических потерь, а коэффициент кавитации позволяет оценить кавитационные качества рассматриваемой лопастной системы и гидромашины в целом.

4.2.1. Постановка трехмерной гидродинамической задачи.

Исходная входная информация должна содержать следующие данные:

• геометрию (координаты) меридианного сечения проточной части (обводов), включая подобласти перед и за лопастной системой;

• геометрию лопастной системы Sl0, включая подобласть так называемую «ближнего» следа, внутри которой расположена вихревая зона, образующаяся вследствие конечной толщины выходной кромки лопасти;

• угловую скорость вращения со РК (для направляющего аппарата (НА) <у = 0);

• число лопастей РК или лопаток НА;

• распределение абсолютной скорости 9, ее нормальной составляющей 9п и давления рна поверхности втекания жидкости;

• тип баротропного процесса (например, жидкость несжимаемая, т. е. ее плотность pQ = const).

На рис. 4.1, 4.2 представлена необходимая исходная геометрическая информация о лопастной системе блок (BL1) и поверхностях связности до.

BL3+) и после (BL3-) РК для решения трехмерной гидродинамической задачи.

Предполагается, что течение безотрывное, следовательно, для потенциального течения на твердых границах проточной части нормальная составляющая относительной скорости Wn= 0, а для потока вязкой жидкости W = 0. Предполагается также, что на выходных кромках лопастей выполняется постулат Жуковского-Чаплыгина.

В результате расчета в выделенной области V определяются поля абсолютных $ и относительных W скоростей, давления р, вихря Q определяются коэффициенты потерь, кавитации, изменения циркуляции скорости вдоль продольного сечения лопастной системы и ее распределение по ширине проточной части, а также другие характеристики и параметры лопастной системы.

Реализация задачи проводится в два или три этапа методом последовательных приближений на каждом этапе. На первом этапе решается задача обтекания лопастной системы потенциальным потоком несжимаемой жидкости. Полученное потенциальное поле вектора скорости рассматривается в качестве исходного приближения при определении функций поля на втором этапе (вихревого обтекания). По результатам расчета первого или второго этапов на следующем этапе определяются параметры потока с учетом реальных свойств жидкости путем расчета вязкого течения в пристеночных слоях.

Меридианная проекция рабочего колеса.

Рис. 4.1.

План рабочего колеса.

Рис. 4.2.

4.2.2. Математическая модель трехмерной гидродинамической задачи.

Математическая модель обтекания потоком лопастных систем описывается системой уравнений безотрывного баротропного квазиустановившегося турбулентного движения в виде, позволяющем получить интегральное представление искомых функций поля.

W = + 5 x (Vr1 хй)]<&- + jj" (fix Vr'1 + RVr~x)dV + ii.

S V i i.

Q = fi0 + J—RQ. + vA7 x (АГГ) — V x где 3, W, u — абсолютная, относительная и переносные скоростип — единичная нормаль к границе л выделенной области течения Vг — расстояние между фиксированной и текущей точками в V ;

Tlwoфункция Бернулли в относительном движении на входной поверхности;

F (p) — функция давления;

U — потенциал массовых силv- кинематическая вязкостьds — модуль элемента линии тока осредненного по времени теченияR — расхождениеW W' >-усредненные вторые одноточечные моментыsO.

R = —(WVP0).

V, д — операторы Гамильтона и Лапласа соответственно.

Расчетная объемная сетка образована тремя семействами поверхностей Fy. Ее плотность принимается более высокая в зоне лопастей с дополнительным сгущением к выходной и входной кромкам (F,! = 1- Ft = 19). Точки пересечения продольных и поперечных поверхностей называются опорными. Параметры потока определяются в так называемых узловых точках, которые расположены в центрах прямоугольников, вершинами которых являются опорные точки. В пределах одного периода число узловых точек в каждом поперечном сечении канала равно 36, на обводах проточной части 126, на каждой стороне лопасти РК или лопатки НА (включая область ближнего следа) по 162.

В результате расчета потенциального потока определяются составляющие относительной скорости Ws, коэффициента давления р в узлах на граничных поверхностях S и в области V. Для интегральной оценки гидродинамических качеств систем выдается информация о величинах циркуляции Г, параметрах кавитации ак, индуктивного сопротивления h,, продольных циркуляциях Гу и др.

Для вращающегося сжимаемого потока на этапе расчета вихревого течения требуется определять элементы траекторий выделенных частиц жидкости, а также первых производных от функций поля в межлопастном канале. Постулат Жуковского-Чаплыгина, выставляемый для единственности решения рассматриваемой гидродинамической задачи, сводится на этом и последующих этапах к требованию непрерывности изменения статического давления при переходе через поверхность вихревых слоев за решеткой лопастей.

При расчете вязкого течения в целях учета реальных свойств рабочей среды для полностью развитого турбулентного потока несжимаемой жидкости построена математическая модель, базирующаяся на выделении трех подобластей;

• основного турбулентного потока;

• пристеночного турбулентного слоя;

• закромочных следов.

В двух последних для описания течения применяются фундаментальные результаты экспериментального изучения турбулентности: «закон стенки» и «закон дефекта скорости». Определение касательных составляющих скорости в пристеночном слое осуществляется с помощью интегральных уравнений типа Фредгольма, при этом учитывается развитие вязкого потока во всей выделенной области течения.

Для описания течения в подобласти основного потока привлекается в обобщенном виде полуэмпирическая теория турбулентности Колмогорова-Прандтля, причем в качестве граничных условий используются результаты расчетов в пристеночной зоне.

4.3. Анализ гидродинамических качеств бустерного насоса ПД 650−160 с использованием 3D метода МЭИ.

Анализ гидродинамических качеств проточной части РК бустерного насоса ПД 650−160 осуществим для следующих параметрах расхода: 90%, 110%, 120%, 130% от Qopt.

Были проведены гидродинамические расчетные исследования проточной части бустерного насоса ПД 650−160 с использованием 3Dметода МЭИ. Для решения задачи анализа была осуществлена подготовка необходимой исходной геометрической информации о лопастной системе блок (BL1) и поверхностях связности до (BL3+) и после (BL3-) рабочего колеса (РК) в соответствии с требуемой расчетной сеткой представленной на рис. 4.1−2.

Бустерный насос ПД 650−160 in.

Рис. 4.3.

Так как конструктивное исполнение РК сетевых насосов выполнено по схеме «Д» то, учитывая симметрию рассматривалась только одна половинка РК.

Анализ гидродинамических качеств рассматриваемых колес производился по широкому спектру интегральных и локальных показателей качества и характеристик для оптимального режима (QoPt= 650 м3/час) и режимов соответствующих 90%, 110%, 120%, 130% от Qopi. Рассматриваемые режимы работы насоса сравнивались по широкому спектру интегральных показателей представленных в таблице 4.1. (насос ПД 650−160 по результатам расчета программ PTNCL — расчет потенциального течения и VISC — расчет вязкого течения потоков рабочей жидкости). Данные представленные в таблицах взяты по результатам расчета 5(пятой) итерации, в которой расчетная процедура завершила процесс сходимости.

Меридианная проекция рабочего колеса.

Рис4.4.

План рабочего колеса.

Рис. 4.5.

В таблице 4.1 представлены основные интегральные результаты расчетных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполнен анализ водно-химических режимов рабочей среды используемых на энергообъектах, для достижения минимальных коррозионных проявлений;

2. Проведены экспериментальные исследования по определению качественной оценки влияния рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства насоса 4К-12а;

3. Осуществлены экспериментальные кавитационные исследования по качественной оценке влияния рН рабочей среды на кавитационные свойства насоса типа КМ 40−32−180 на энерго-кавитационном стенде ЗАО «Помпа»;

4. Проведено планирование эксперимента по определению количественной оценки влияния рН рабочей среды на кавитационный запас насоса 4К-12а с использованием составления греко-латинского квадрата;

5. Выполнено составление функционала, определяющего зависимость изменения кавитационных свойств центробежных насосов, в зависимости от рН рабочей среды;

6. Осуществлены работы, в результате которых, спроектирована каноническая область в виде трубы Вентури для проведения экспериментальных исследований по проявлению развития кавитационных процессов в канонической области;

7. Осуществлены экспериментальные исследования канонической области в виде трубы Вентури на кавитационные свойства при различных значениях рН рабочей среды количественным и визуальным способами.

8. Проведено расширение 3-D метода МЭИ, с использованием полученной в работе зависимости, позволяющее учитывать изменение получаемых характеристик с учетом переменных рН рабочей среды.

Материалы диссертационной работы используются в МЭИ при проведении ряда научно-исследовательских работ, а также в учебно-исследовательских работах.