Насосы различных конструкций являются обязательной частью практически любого современного производственного оборудования. Насосные машины лопастного типа, в том числе работа которых основана на центробежном эффекте, благодаря своим возможностям широко применяются в различных областях человеческой деятельности (например, насосные агрегаты для транспортировки шлама в горных разработках, на заводах по производству строительных материалов) [1, 2].
Появление вихревых насосов вызвано необходимостью забирать воздух из всасывающей трубы, что в некоторой степени решает проблему получения самовсасывающего насоса.
Вихревые насосы широко используются при необходимости создать эффективный напор с относительно небольшой подачей. Возможность их использования в системах заправки топливом обусловливает функция перекачки двухфазных смесей, позволяющая использовать вихревые насосы для перекачки легких жидкостей, таких как бензин и керосин [3].
Самовсасывающей способностью располагает большая часть вихревых насосов. Перемена напора в вихревом насосе слабее воздействует на подачу, чем в центробежном. Недостатком вихревого насоса считается присутствие при больших мощностях невысокого КПД, не превосходящего в рабочем режиме 45 %. У наиболее распространенных насосов КПД 35–38 % [4].
Для повышения КПД необходимо исследовать течение жидкости. Эту задачу можно выполнить с помощью компьютерного моделирования и специального программного обеспечения для моделирования гидродинамики.
Цель исследования: провести математический эксперимент для определения оптимальных отношений между основными элементами конструкции вихревого насоса и их влиянием на его напорную характеристику при различных соотношениях hк/d0. Исследования проводились с использованием модулей системы ANSYS.
Насосный агрегат состоит из двух основных частей. Первая – это ротор, который представляет собой цилиндрическое тело вращения с выемками на боковой поверхности в виде цилиндрических отверстий; вторая – корпус, охватывающий ротор, с внутренними стенками, образующими винтовой канал (рис. 1) [5]. В результате математического эксперимента были проведено изучение влияния глубины винтового канала на перепад давления, создаваемый насосом, а также на поведение жидкости в проточной части насоса.
Рис. 1. Схема гидравлической машины с вихревым эффектом: 1 – цилиндрический барабан; 2 – винтовые каналы
Моделирование перемещения жидкости в проточной части насосного агрегата проводилось в программном комплексе ANSYS.
Материалы и методы исследования
Модель насоса состоит из цилиндрического ротора с отверстиями диаметром 18 мм и глубиной 14 мм на боковой поверхности (внешние габаритные размеры: диаметр D 189 мм и длина 160 мм) и корпуса, представленного цилиндрической фигурой вращения с винтовым внутренним каналом (габаритные размеры: внешний диаметр D2 251 мм и длина 240 мм).
Количество оборотов ротора постоянно и равно 50 Гц. Соотношения между элементами конструкции принимались следующими: hк/d0 = 1,25; hк/d0 = 1; hк/d0 = 0,75; hк/d0 = 0,5. Рабочее тело, прокачиваемое через насос, – вода. Давление на входе равно 101 304 Па (рис. 2).
А) Б)
В) Г)
Рис. 2. 3D-варианты модели проточной части насосного агрегата отношениях глубины канала к поперечнику отверстий для всех вариантов исследований hк/d0: А – 1,25; Б – 1; В – 0,75; Г – 0,5
В системе твердотельного моделирования SolidWorks были построены необходимые 3D-модели исследуемого агрегата с различным соотношением hк/d0.
В ходе математического эксперимента были исследованы изменение давления, формируемого вихревым насосом, а также формирование линий тока в проточной части при заданных соотношениях hк/d0 с применением модуля моделирования течения жидкости ANSYS.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 3 приведены распределения давлений, полученные при моделировании движения жидкости через ротор с различным соотношением hк/d0. При соотношении hк/d0 = 1,25 давление на выходе из насоса изменяется в диапазоне от 5,9 кПа до 91,7 кПа (рис. 3, А), при соотношении hк/d0 = 1 давление на выходе из насоса лежит в диапазоне от 102,1 кПа до 123,1 кПа (рис. 3, Б), при соотношении hк/d0 = 0,75 давление на выходе из насоса лежит в диапазоне от 96,8 кПа до 116,2 кПа (рис. 3, В), при соотношении hк/d0 = 0,5 давление на выходе из насоса лежит в диапазоне от 84,1 до 112,1 кПа (рис. 3, Г).
А)
Б)
В)
Рис. 3. Распределения давлений при различных hк/d0: А – 1,25; Б – 1; В – 0,75; Г – 0,5 (начало рисунка)
Г)
Рис. 3. Распределения давлений при различных hк/d0: А – 1,25; Б – 1; В – 0,75; Г – 0,5 (окончание рисунка)
На рис. 4 представлены линии тока в проточной части насоса. При соотношении hк/d0 = 1,25 и hк/d0 = 1 (рис. 4, А и 4, Б) создается устойчивый направленный поток жидкости на входе в насос. Также стоит отметить, что при соотношении hк/d0 = 1 поток на выходе более закручен по сравнению с соотношением hк/d0 = 1,25. Винтовые решетки при соотношении hк/d0 = 0,75 и hк/d0 = 0,5 (рис. 4, В и 4, Г) не создают устойчивого направленного потока жидкости на входе в насос, но при соотношении hк/d0 = 0,75 сохраняется закрученный поток жидкости на большем протяжении, чем при соотношении hк/d0 = 0,5.
А)
Б)
Рис. 4. Линии тока при различных hк/d0: А – 1,25; Б – 1; В – 0,75; Г – 0,5 (начало рисунка)
В)
Г)
Рис. 4. Линии тока при различных hк/d0: А – 1,25; Б – 1; В – 0,75; Г – 0,5 (окончание рисунка)
Выводы
Результаты моделирования движения жидкости в вихревом насосе показывают, что соотношение hк/d0 = 1 является наиболее подходящим, давление на выходе из насоса выше, чем при других значениях hк/d0, и находится в диапазоне от 102,1 кПа до 123,1 кПа, создавая устойчивый направленный поток жидкости на входе в насос и на выходе, с большей закруткой потока, по сравнению с соотношениями hк/d0 = 1,25, hк/d0 = 0,75 и hк/d0 = 0,5.