Разработка методики проектирования и оптимизации проточной части погружных электронасосов высокой быстроходности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Горбатов Даниил Анатольевич

• Горбатов Даниил Анатольевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Горбатов Даниил Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Конструкции погружных электронасосов

1.2 Существующие подходы проектирования и расчета течения

1.3 Методы оптимизации проточных частей

1.4 Выводы по главе

2 РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИК

2.1 Исследуемые погружные электронасосы

2.2 Описание численной модели для расчета характеристик

2.3 Анализ гидравлических потерь и структуры течения

2.4 Расчет интегральных показателей и характеристик

2.5 Выводы по главе

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ

3.1 Исследование направляющих аппаратов различной конструкции

3.2 Определение основных размеров элементов проточной части

3.3 Параметризация расчетной области

3.4 Численная модель для оптимизационного поиска

3.5 Выводы по главе

4 ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ

4.1 Корреляция входных параметров с интегральными показателями

4.2 Составление и расчет матрицы планирования эксперимента

4.3 Уточняющий поиск максимума целевой функции

4.4 Оценка эффективности методов уточняющего поиска

4.5 Анализ результатов оптимизации

4.6 Сравнение исходной и оптимизированной проточных частей

4.7 Выводы по главе

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСХОДНОЙ И ОПТИМИЗИРОВАННОЙ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ С РАБОЧИМИ КОЛЕСАМИ

И НАПРАВЛЯЮЩИМИ АППАРАТАМИ ИЗ РАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1 Описание созданного экспериментального стенда

5.2 Методика проведения испытаний

5.3 Средства и погрешности измерений

5.4 Исследуемый погружной электронасосный агрегат

5.5 Изготовление рабочих колес и направляющих аппаратов

5.6 Результаты расчетных и экспериментальных исследований

5.7 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проектирования и оптимизации проточной части погружных электронасосов высокой быстроходности»

Актуальность.

Погружные электронасосы широко используются в судостроении, горнодобывающей, химической, нефтегазовой и других отраслях промышленности. Одноступенчатые погружные электронасосы с моноблочной конструкцией насоса и электродвигателя в основном иностранного производства. Одним из наиболее важных требований к таким насосам является уменьшение массогабаритных показателей электронасосных агрегатов, вызванное ограниченными пространствами, в которые их устанавливают. Подходы к проектированию и оптимизации проточной части одноступенчатых моноблочных погружных электронасосов высокой быстроходности в настоящее время недостаточно разработаны. Вопросы улучшения энергетических качеств таких насосов в высшей степени востребованы. Повышение энергоэффективности в том числе даст возможность использовать электродвигатели с меньшей номинальной мощностью, что позволит значительно снизить вес и уменьшить габаритные размеры электронасосных агрегатов в целом. С ростом производительности вычислительной техники возникает возможность применения современных методов проектирования и оптимизации проточных частей насосов. Необходимо использовать данные методы при разработке методики для совершенствования погружных электронасосов. В связи с вышесказанным тема диссертации актуальна.

Степень разработанности.

Методика проектирования и оптимизации проточной части погружных электронасосов высокой быстроходности разработана недостаточно. Исследованиями погружных насосов занимались: Васильцов Э.А., Невелич В.В., Горгиджанян С.А., Дягилев А.И. и другие. Вопросы расчета, проектирования, оптимизации проточных частей лопастных гидромашин разрабатывали: Моргунов Г.М., Раухман Б.С., Топаж Г.И., Климович В.И., Черный С.Г., Федоров А.В.,

Шумилин С.А., Волков А.В., Захаров А.В., Семенова А.В., Жарковский А.А., Свобода Д.Г., Иванов Е.А., Ломакин В.О., Петров А.И., Чабурко П.С. и другие.

Цель и задачи.

Целью настоящей диссертации является разработка методики проектирования и оптимизации проточной части погружных электронасосов высокой быстроходности.

Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать методику расчета течения и характеристик погружных электронасосов высокой быстроходности, апробировать разработанную методику на имеющихся экспериментальных данных.

2. Исследовать направляющие аппараты различной конструкции, выбрать тип аппарата для проектирования и дальнейшей оптимизации в составе проточной части погружного электронасоса высокой быстроходности.

3. Разработать методику оптимизации и оптимизировать проточную часть погружного электронасоса высокой быстроходности, сравнить гидравлические потери и структуру течения в исходной и оптимизированной проточных частях.

4. Создать стенд для проведения экспериментальных исследований погружных электронасосов, изготовить рабочие колеса и направляющие аппараты: по первому варианту - из основных материалов, и по второму варианту - из альтернативного материала, для исходной и оптимизированной проточных частей.

5. Провести экспериментальные исследования, сравнить расчетные и экспериментальные характеристики погружного электронасоса высокой быстроходности первого и второго вариантов для исходной и оптимизированной проточных частей.

Научная новизна.

1. Методика численного расчета течения и характеристик погружных электронасосов высокой быстроходности.

2. Методика проектирования погружных электронасосов высокой быстроходности, включающая параметрическую оптимизацию элементов проточной части.

3. Методика аддитивного производства рабочих колес и направляющих аппаратов погружных электронасосов и результаты экспериментальных исследований исходной и оптимизированной проточных частей, содержащих изготовленные опытные образцы из основных и альтернативного материалов.

Теоретическая значимость.

1. Методика расчета течения и интегральных показателей проточной части погружных электронасосов высокой быстроходности.

2. Рекомендации по проектированию лопаточного направляющего аппарата погружных электронасосов высокой быстроходности.

3. Методика параметрической оптимизации формы проточной части погружных электронасосов высокой быстроходности.

Практическая значимость.

1. Внедрение разработанной методики проектирования и оптимизации проточной части погружных электронасосов высокой быстроходности на промышленных предприятиях.

2. Улучшение массогабаритных показателей исследованного погружного электронасосного агрегата высокой быстроходности.

3. Рекомендации по выбору альтернативного материала и метода изготовления опытных образцов рабочих колес и направляющих аппаратов при экспериментальных исследованиях погружных электронасосов.

Методология и методы исследования.

Расчетные исследования выполнены с использованием методов вычислительной гидродинамики, основанных на численном решении системы уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу. Элементы проточных частей изготовлены с применением аддитивных технологий. Натурные параметрические испытания проведены на стенде для экспериментальных исследований погружных электронасосов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика расчета течения и определения характеристик погружных электронасосов высокой быстроходности.

2. Результаты исследований лопаточных направляющих аппаратов различной конструкции для погружного электронасоса высокой быстроходности.

3. Методика оптимизации и результаты поиска оптимальной формы проточной части погружного электронасоса высокой быстроходности.

4. Методика изготовления рабочих колес и направляющих аппаратов с применением аддитивных технологий, предназначенная для экспериментальной отработки проточной части погружных электронасосов.

5. Результаты экспериментальных исследований погружного электронасоса высокой быстроходности, выполненных с рабочими колесами и направляющими аппаратами: по первому варианту - из основных материалов, и по второму варианту - из альтернативного материала, для исходной и оптимизированной проточных частей.

Степень достоверности и апробация результатов.

Результаты расчетных исследований подтверждены результатами экспериментальных исследований, полученными при испытаниях на созданном стенде погружных электронасосов в Лаборатории гидромашиностроения Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики ФГАОУ ВО «СПбПУ».

Основные научные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на: XXV Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию кафедры «Гидромеханики и гидравлических машин им. В.С. Квятковского» Национального исследовательского университета «МЭИ» (Москва, 2021); XII Всероссийской научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (Санкт-Петербург, 2022); XXVI Международной научно-технической конференции ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (Москва, 2022); конференции в МГТУ им. Н. Э. Баумана «Гидравлика 2022» (Москва, 2022); конференции в СПбПУ Петра Великого «Неделя науки» (Санкт-Петербург, 2023); Международной научно-технической конференции «ЕСОРиМР-ЯШ'2023. Энергоэффективность и инновации в насосостроении» (Москва, 2023);

XXVII Международной научно-технической конференции ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (Москва, 2023); конференции в МГТУ им. Н. Э. Баумана «Гидравлика 2023» (Москва, 2023); III Всероссийской молодежной конференции с международным участием (Томск, 2023); XIII Всероссийской научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (Санкт-Петербург, 2024).

Личный вклад соискателя.

Обзор состояния вопроса, разработка методики расчета течения и характеристик, создание методики проектирования и оптимизации, изготовление элементов исходной и оптимизированной проточных частей, проведение экспериментальных исследований.

Публикации.

Основные научные результаты диссертации изложены в 9 печатных научных работах: 2 опубликованы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК; 7 опубликовано в научных изданиях, входящих в РИНЦ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав основной части, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, списка иллюстративного материала, приложения. Общий объем диссертации 177 страниц. Работа включает 74 иллюстрации и 29 таблиц. Список литературы содержит 96 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, отмечена степень ее разработанности. Сформулированы: цель и задачи диссертации; научная новизна; теоретическая и практическая значимость. Указаны: методология и методы исследования; положения, выносимые на защиту; степень достоверности и апробация результатов.

В главе 1 выполнен обзор состояния вопроса. Описаны существующие конструкции погружных электронасосов и их особенности. Изложены классические и современные методы проектирования и расчета течения. Проведен

анализ ранее выполненных исследований по методам численной оптимизации проточных частей лопастных гидромашин.

В главе 2 разработана и апробирована методика расчета течения и характеристик погружных электронасосов высокой быстроходности. Рассчитаны четыре погружных электронасоса с исходной проточной частью и общей конструктивной схемой узлов насоса и электродвигателя. Представлены рекомендации по типу и составу расчетной области, по параметрам численной модели. Проанализированы гидравлические потери. Получена структура течения в исходной проточной части насосов. Выполнено сравнение расчетных и экспериментальных характеристик погружных электронасосов.

В главе 3 спроектирована и параметризирована проточная часть погружного электронасоса высокой быстроходности. Исследовано влияние направляющих аппаратов различной конструкции на структуру течения и гидравлические потери в отводящем устройстве насоса, обоснован выбор типа аппарата и его выходного угла лопатки. Проведены расчеты рабочих колес с различным диаметром входа для разных режимов работы насоса, определены кавитационные качества. Выбраны варьируемые входные параметры спроектированной проточной части.

В главе 4 разработана методика оптимизации и оптимизирована спроектированная проточная часть погружного электронасоса высокой быстроходности. Проведена корреляция входных параметров с выходными интегральными показателями насоса, определена группа высокой и средней значимости и группа низкой значимости входных параметров. Исследовано влияние количества расчетных точек матрицы планирования эксперимента на целевую функцию, обосновано количество точек при составлении матрицы, определена область расположения глобального максимума. Исследованы разные методы уточняющего поиска глобального максимума, определен наиболее эффективный и предпочтительный метод. Проведен анализ гидравлических потерь и структуры течения в исходной и оптимизированной проточных частях, выявлено за счет чего достигнут максимум гидравлического КПД насоса.

В главе 5 приведены результаты экспериментальных исследований погружного электронасоса высокой быстроходности. Описаны: созданный экспериментальный стенд, методика проведения испытаний, средства и погрешности измерений, опытный образец насоса. Проанализированы аддитивные технологии изготовления элементов проточной части, определена оптимальная технология 3Э-печати выжигаемых моделей для отливок рабочих колес из латуни, предложен альтернативный материал и технология 3Э-печати рабочих колес и направляющих аппаратов. Представлены результаты экспериментальных исследований для исходной и оптимизированной проточных частей с рабочими колесами и направляющими аппаратами, изготовленными из основных и альтернативного материалов, выполнено сравнение расчетных и экспериментальных характеристик насоса.

В заключении диссертации представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1 Конструкции погружных электронасосов

В настоящее время существует множество типов погружных электронасосов, применяемых в промышленности в различных системах водоснабжения и водопонижения.

К одному из таких типов насосов относятся: водоподъемные (скважинные) ЭЦВ, артезианские (высоконапорные) АП (АПВ), насосы для откачки воды из скважины диаметром 150 мм и более - ЭПЛ и ЭПНЛ. Конструктивно данные насосы многоступенчатые, проточные части (ПЧ) преимущественно низкой и средней быстроходности, включают рабочее колесо (РК) центробежного или диагонального типа, лопаточный переводной канал [1].

В качестве примера погружной насос типа АП представлен на Рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Погружной насос 10АП-18 х 6 [1]

Представленный на Рисунке 1.1 погружной насос устанавливается с минимальным диаметром скважины 250 мм. ПЧ насоса состоит из 6 ступеней. РК применяется закрытого типа с лопастями двоякой кривизны - 2. Каждая ступень имеет свой корпус - 3, который одновременно представляет собой полуосевой лопаточный отвод. Отдельные корпуса ступеней соединяются шпильками. Радиальный зазор между РК и корпусом отвода образует переднее уплотнение РК щелевого типа. Радиальная нагрузка воспринимается нижним подшипником - 1, расположенным во всасывающем патрубке, и верхним подшипником - 4, установленным в корпусе последней ступени. Подшипники имеют лигнофолевые вкладыши. Смазка и охлаждение подшипников насоса осуществляется водой, поступающей из ПЧ насоса по продольным канавкам, расположенным на внутренней поверхности втулок. Частичное уравновешивание силы осевого давления достигается разгрузочными отверстиями, предусмотренными в основном диске РК перед входными кромками лопастей. Остаточная сила осевого давления и сила веса роторов насоса и двигателя воспринимаются опорной пятой электродвигателя. Уравновешивание силы осевого давления разгрузочными отверстиями, как известно, препятствует достижению более высоких значений КПД. Максимальное значение КПД данного погружного насоса без учета электродвигателя составляет примерно 58 % [1].

В отечественной и зарубежной промышленности широко используется и другой тип погружных электронасосов - одноступенчатые погружные электронасосы с моноблочной конструкцией насоса и электродвигателя.

В литературе [2] упоминаются одноступенчатые погружные насосы с консольным расположением РК, такие как: переносные моноблочные для загрязненных вод - ГНОМ, моноблочные для шахтных колодцев и открытых источников - ЦМПВ.

В литературе [3] рассматриваются теория, расчет и конструкции герметических электронасосов, предназначенных для химической, нефтехимической и энергетической промышленности. В таких насосах отсутствуют утечки рабочей среды. Это позволяет их эксплуатировать с

токсичными, агрессивными, взрыво- и пожароопасными жидкостями. Схема с моноблочной конструкцией насоса и электродвигателя гарантирует герметизацию агрегата. В такой схеме ротор и подшипники насоса способны быть в рабочей жидкости. В промышленности основное распространение получили герметические насосы низкой быстроходности.

Пример герметического электронасоса показан на Рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Герметический электронасос ГЦН-10/60 [3]

Показанный на Рисунке 1.2 герметический электронасос содержит экранированный электродвигатель. Конструкция агрегата имеет приваренную к стенкам корпуса статора экранирующую гильзу - 1, образующую закрытый стакан, на который установлен статор. Немагнитная гильза защищает обмотку статора от контакта с рабочей жидкостью. Верхний - 2 и нижний - 3 подшипники смазываются жидкостью, поступающей из напорной камеры. Электродвигатель охлаждается жидкостью, проходящей через кольцевую камеру - 4, расположенную между корпусом насоса и корпусом электродвигателя. Недостаток данного насоса - неразборная конструкция статора, которая затрудняет ремонт агрегата [3].

Одноступенчатые моноблочные погружные электронасосы помимо химической промышленности применяются и в других отраслях [94].

Конструкция такого электронасоса отмечена на Рисунке 1.3.

/Т-Ь"\

Рисунок 1.3 - Погружной центробежный электронасос [94]

Отмеченный на Рисунке 1.3 электронасос включает герметичный электродвигатель - 1. Двигатель состоит из сердечника ротора с валом - 2, сердечника статора - 3, переднего подшипникового щита - 4 и заднего подшипникового щита - 5. Щиты запрессованы с натягом в цельнотянутые оправки - 38, которые установлены на сердечнике статора двигателя. Корпус электродвигателя является цилиндрическим и разъемным.

Центробежное РК одностороннего входа - 14 с лабиринтным уплотнением расположено в корпусе насоса - 8. Наружный корпус - 20 образует рубашку охлаждения электродвигателя. Выправляющий аппарат - 21 состоит из лопаток, выполненных из листового материала и приваренных к диску.

Корпус электродвигателя и корпус насоса соединены с помощью хомута - 17, внутри которого расположено уплотнительное кольцо - 9, имеющее овальную форму в поперечном сечении. Внутренняя полость двигателя со стороны РК отделена от ПЧ манжетным уплотнением - 7 и торцевым уплотнением - 12. Корпус двигателя и корпус насоса включают радиально-плоскую отбортовку.

Рабочая среда поступает в электронасосный агрегат через фильтр-водозаборник - 40, далее поток поступает в РК, после которого жидкость направляется в полость нагнетания, состоящую из выправляющего аппарата, области корпуса насоса и корпуса электродвигателя, напорного патрубка - 41 [94].

Другими одноступенчатыми моноблочными погружными электронасосами являются водоотливные погружные электронасосы, перекачивающие воду, и широко используемые в судостроительной, горнодобывающей и иных отраслях промышленности [17]. В зависимости от исполнения, такие насосы могут быть с приемной сеткой на входе или с всасывающим патрубком фланцевого соединения.

Анализ конструкций показал, что в литературе преимущественно представлены многоступенчатые погружные электронасосы низкой и средней быстроходности, ПЧ которых включает ступени, состоящие из РК центробежного типа и полуосевого лопаточного отвода. Одноступенчатые моноблочные погружные электронасосы высокой быстроходности, которые получили широкое применение в промышленности, недостаточно освещены.

1.2 Существующие подходы проектирования и расчета течения

Традиционно процесс проектирования и гидродинамического расчета проточных частей (ПЧ) различных лопастных гидромашин делится на классические 2D-методы и современные 3D-методы.

При использовании 2D-методов поток разбивается на невязкое ядро, где силами вязкости в первом приближении можно пренебречь, и тонкий пограничный слой, в котором сосредоточено проявление сил вязкости. Невязкий поток в ядре представляется в виде двух двумерных потоков: осесимметричного в меридианной плоскости и двумерного в решетке лопастей на поверхности тока. После расчета невязкого течения рассчитывают параметры пространственного пограничного слоя на обтекаемых поверхностях на основе уравнений импульсов, которые получают интегрированием общих уравнений движения поперек пограничного слоя. Третья координата при этом исключается, и система уравнений пограничного слоя становится двумерной [18].

На основе 2D-методов реализованы программные комплексы проектирования и расчета течения в ПЧ лопастных гидромашин, определения их теоретических характеристик.

В лаборатории гидромашиностроения ФГАОУ ВО «СПбПУ» создана программа «САПР ЦН», с помощью которой выполняется проектирование и расчет лопастных систем ПЧ центробежных насосов. По результатам расчетов строятся трехмерные модели, анализируются гидравлические потери, определяются показатели, влияющие на кавитационные характеристики. При проектировании лопасти рабочего колеса (РК) задаются различные законы изменения относительной скорости вдоль линии тока. Закон изменения толщины лопасти РК может быть задан постоянным или переменным [90, 93].

В лаборатории гидромашиностроения ФГАОУ ВО «СПбПУ» разработана программа, позволяющая проектировать и рассчитывать лопастные системы осевых насосов различной быстроходности. В данной программе применяется

метод Вознесенского-Пекина. С помощью разработанной программы спроектированные лопастные системы имеют достаточно высокие энергетические и кавитационные характеристики. Массив геометрических данных может быть экспортирован для построения трехмерных моделей элементов ПЧ. Помимо вновь проектируемой ПЧ осевого насоса, программа позволяет рассчитывать существующую [92, 93].

В лаборатории гидромашиностроения ФГАОУ ВО «СПбПУ» создана программа «ГРаНиТ», предназначенная для проектирования и расчета ПЧ лопастных насосов и гидротурбин. В частности, при использовании данной программы рассчитываются течение, расход, мощность гидротурбины, оцениваются показатели, влияющие на кавитационные характеристики. В программе определяются гидродинамические нагрузки, действующие на лопастную систему РК и на лопатки статора гидротурбины. По результатам расчетов анализируются гидравлические потери и строятся расчетные характеристики лопастных насосов и гидротурбин [93].

В ОАО «НПО ЦКТИ» разработана программа «САПР ЛС», предназначенная для проектирования и расчета лопастных насосов, гидротурбин, обратимых гидромашин. Программа рассчитывает гидродинамические нагрузки, силы и моменты, действующие на лопастную систему. Результаты таких расчетов используются для определения прочности, осевой нагрузки на агрегат, для получения расчетных характеристик [19, 20].

Применение 2D-методов позволяет достигать приемлемую сходимость расчетных и экспериментальных данных [22, 23]. Известно, что с помощью данного подхода результаты расчетов получают в короткие сроки, однако 2D-методы имеют ограничения при расчете отводящих устройств со сложной геометрической формой. Зарекомендовавшие себя в насосостроении 2D-методы и сейчас используются при получении геометрии ПЧ в качестве начального приближения.

В настоящее время при исследовании лопастных гидромашин используются современные 3D-методы, которые, как правило, включают этап численной

оптимизации ПЧ. При таком подходе в расчетной области итерационно решается система уравнений трехмерного вязкого течения несжимаемой жидкости. Результатом численного решения являются интегральные показатели, энергетические, кавитационные и иные расчетные характеристики гидромашины.

Одним из основных достоинств использования 3D-методов является возможность рассчитывать всю расчетную область одномоментно (расчет без разделения на отдельные роторные и статорные элементы ПЧ). Другим преимуществом BD-методов является возможность расчета течения для геометрии ПЧ любой сложности.

При использовании BD-методов существуют специализированные программные комплексы вычислительной гидродинамики (CFD-пакеты), с помощью которых моделируется физический процесс в исследуемой расчетной области. При таком подходе в численных расчетах применяют модели турбулентности. В частности, в инженерных расчетах часто встречающимися такими моделями являются: k-e, SST, DES, LES и другие, подробно описанные, например, в работе [24].

В настоящее время на практике широко распространены программные комплексы, позволяющие проводить численные расчеты CFD-методами. Одними из таких являются: ANSYS CFX, ANSYS Fluent, CFturbo, FlowVision, Star-CD, OpenFOAM. В данных вычислительных комплексах существует набор инструментов, предназначенных для математического моделирования течения в расчетной области.

В подходе, в котором используются 3D-методы, ПЧ, как правило, в первом приближении проектируются на полуэмпирических данных и рекомендаций, полученных ранее [25, 26, 27]. Затем выполняются гидродинамические расчеты с настроенной математической моделью (ММ) и определяются интегральные показатели исследуемой гидромашины [83].

В подавляющем большинстве случаев в теоретических исследованиях ПЧ гидромашин используют CFD-методы, в которых ММ расчета течения достаточно

точно описывают характер потока и прогнозируют характеристики лопастных насосов и гидротурбин [28, 29, 30, 31].

При расчете течения в ПЧ насосов, как показали, например, исследования [13], модели турбулентности не оказывают сильного влияния на интегральные параметры. В большей степени результаты численных решений зависят от: выбора интерфейса (сопряжения вращающихся и неподвижных элементов расчетной области), выбора полноразмерной или периодической области расчета с одним межлопастным каналом, постановки задачи - стационарная или нестационарная, количества элементов расчетной сетки - густоты расчетной сетки [69].

Применительно к погружным электронасосам в части исследования, проектирования и расчета течения в ПЧ выполнен обзор некоторых ранее проведенных научных работ, представленный ниже.

В работе [16] исследовалась структура течения трехступенчатого погружного электронасоса с п = 140 в условиях его работы с содержанием объемной доли газа в ПЧ. Использовалось диагональное РК, зона перевода потока в РК ступени -непрерывная с осерадиальными лопатками. Выполнена валидация методики CFD расчета на основе экспериментальных данных однофазной ММ на воде. Результаты расчетов показали расхождение с экспериментом по КПД 3,5 %. Проведены численные исследования двухфазной ММ с объемной долей газа на входе в расчетную область 5 %, 10 % и 15 %. Определено, что с ростом объемной доли газа характеристики исследуемого насоса становятся хуже. На номинальной подаче насоса при доле газа в 15 % параметры существенно снизились в сравнении с однофазной ММ: напор в 3 раза, мощность на валу в 1,5 раза, КПД на 25 %. Отмечено, что ухудшение характеристик связано с концентрацией газа в межлопастных каналах РК, которая образует вихри, препятствующие течению основного потока. В работе подробно изучен характер течения в ПЧ с учетом двухфазной ММ исследованного насоса, однако, расчетные характеристики экспериментально не подтверждены.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Горбатов Даниил Анатольевич, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горгиджанян С.А., Дягилев А.И. Погружные насосы для водоснабжения и водопонижения. Изд.-во «Машиностроение», 1968 г. 112 с.

2. Грянко Л.П., Папир А.Н. Лопастные насосы. Л., «Машиностроение» (Ленингр. Отд-ние), 1975 г. 432 с. с ил.

3. Васильцов Э.А, Невелич В.В. Герметические электронасосы. Л., «Машиностроение» (Ленингр. Отд-ние), 1968 г. 260 с.

4. Jianjun Zhu, Haiwen Zhu, Jiecheng Zhang, Hong-Quan Zhang. A numerical study on flow patterns inside an electrical submersible pump (ESP) and comparison with visualization experiments / Journal of Petroleum Science and Engineering, Volume 17Э, 2019. P. ЭЭ9-Э50.

5. Wang W. et al. Energy efficiency optimization of water pump based on heuristic algorithm and computational fluid dynamics // J Comput Des Eng. Oxford Academic, 202Э. Vol. 10, № 1. P. 382-Э97.

6. Горбатов Д.А., Жарковский А.А., Адрианов А.В. Влияние различных вариантов направляющего аппарата на гидравлические потери в элементах проточной части погружного электронасоса // В сборнике: Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Материалы XXV Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию кафедры "Гидромеханики и гидравлических машин им. В.С. Квятковского" Национального исследовательского университета "МЭИ". Москва, 2021. С. 60-65.

7. Галдин Д.Н., Кретинин А.В., Печкуров С.В. Оптимизация профиля пространственного рабочего колеса центробежного насоса с использованием параметризованной модели проточной части и искусственной нейронной сети // Насосы. Турбины. Системы. 2021. № Э (40). С. 22-Э1.

8. Чабурко П.С., Ломакин В.О., Кулешова М.С., Баулин М.Н. Комплексная оптимизация проточной части герметичного насоса методом ЛП-тау поиска // Насосы. Турбины. Системы. 2016. № 1 (18). С. 55-61.

9. Свобода Д.Г., Иванов Е.А., Жарковский А.А., Щуцкий С.Ю. Оптимизация проточной части осевого насоса с использованием прямых методов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. №2 12 (753). С. 116123.

10. Свобода Д.Г., Иванов Е.А., Жарковский А.А., Щуцкий С.Ю. Оптимизация проточной части осевого насоса с использованием поверхности отклика // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. №2 8 (749). С. 74-83.

11. Валюхов С.Г., Галдин Д.Н., Коротов В.В., Русин В.А. Использование аппроксимационных моделей для выполнения оптимизации профиля рабочего колеса центробежного насоса // Насосы. Турбины. Системы. 2020. № 2 (35). С. 5865.

12. Gulich, J.F. Centrifugal Pumps // J.F. Gulich.Springer-Verlag. Berlin Heidelberg, 2010. - 998 s.

13. Свобода Д.Г., Жарковский А.А. Влияние модели турбулентности на расчетные интегральные параметры осевого насоса с быстроходностью ns=570 // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 42. С. 575-578.

14. Горбатов Д.А., Жарковский А.А., Адрианов А.В. Оптимизация проточной части погружного электронасоса методом поверхности отклика // Гидравлика. 2022. № 17. С. 15-24.

15. Yang Yang, Ling Zhou, Weidong Shi, Zhaoming He, Yong Han, Yu Xiao. Interstage difference of pressure pulsation in a three-stage electrical submersible pump / Journal of Petroleum Science and Engineering, Volume 196, 2020. P. 107653.

16. Jianwei Hang, Ling Bai, Lei Jiang, Weidong Shi, Ramesh Agarwal. Inter-stage energy characteristics of electrical submersible pump under gassy conditions / Energy, Volume 256, 2022. P. 124624.

17. Патент RU134959 на промышленный образец «Водоотливной погружной электронасос».

18. Алексенский В.А. Совершенствование методики расчета вязкого течения и проектирования насосов низкой быстроходности: дисс. канд. техн. наук. Санкт-Петербург. 2012. 160 с.

19. Климович В.И. Квазитрехмерная и осесимметричная задачи теории гидромашин и некоторые их приложения для исследования течений в проточных частях гидроагрегатов, автореферат диссертации, СПбГТУ, СПб, 1993. -41 с.

20. Раухман Б.С. Расчет обтекания несжимаемой жидкостью решетки профилей на осесимметричной поверхности тока в слое переменной толщины // Механика жидкостей и газа № 1, 1971. -с. 83-89.

21. Горбатов Д.А. Повышение энергоэффективности погружного электронасоса методом численной оптимизации // В сборнике: Бутаковские чтения. Сборник статей III Всероссийской с международным участием молодёжной конференции. Томск, 2023. С. 515-518.

22. Жарковский А.А., Щуцкий С.Ю. Расчёт потерь в малоканальных отводах и прогнозирование напорной характеристики ступеней многоступенчатых центробежных насосов // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2010. -№1. - с. 172-176.

23. Жарковский А.А., Щуцкий С.Ю. Расчёт пространственного пограничного слоя в рабочем колесе центробежной турбомашины // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2010, №1. С. 143-148.

24. Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Травин А.К., Шур М.Л. Современные подходы к моделированию турбулентности: учеб. пособие / Гарбарук А.В. [и др.]. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2016. - 234 с.

25. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы // Издательство «Машиностроение» Москва. 1966.- 364 с.

26. Горгиджанян С.А. Гидравлические расчеты проточной части центробежных насосов: методические указания по курсовому проектированию // Ленинград: ЛПИ им. М. И. Калинина, 1982. - 40 с.

27. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование // Машиностроение, 1977. - 288 с.

28. Жарковский А.А., Куриков Н.Н., Пугачев П.В., Шабров Н.Н. Компьютерное исследование и визуализация течения в центробежных насосах // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2010. № 4 (103). С. 119-123.

29. Петров А.И., Ломакин В.О. Численное моделирование проточных частей макетов насосов и верификация результатов моделирования путем сравнения экспериментально полученных величин с расчетными // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 5. С. 52-62.

30. Будаев Г.А., Петров А.И. Исследование радиальных сил в полупогружном вертикальном центробежном насосе методами гидродинамического моделирования // Гидравлика. 2020. № 11. С. 112-123.

31. Пак В.В., Новкунский А.А. Численное моделирование эрозионного износа лопастей рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины // Материаловедение. Энергетика. 2020. Т. 26. № 2. С. 128-139.

32. Шишкина А.С., Шишкин Г.Д., Ломакин В.О. Оптимизация проточной части центробежного насоса с лопаточным направляющим аппаратом из условия минимизации гидродинамических источников шума // Гидравлика. 2020. № 9. С. 57-68.

33. Клюев А.С., Федоров С.П., Иванов Е.А., Жарковский А.А., Борщев И.О. Выбор типа отводящего устройства и оптимизация проточной части многоступенчатого центробежного насоса низкой быстроходности // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2023. № 2 (145). С. 98-113.

34. Фоменко В.Д., Петров А.И. Оптимизация геометрии проточной части канального направляющего аппарата центробежного насоса, работающего на высоковязкой жидкости // Гидравлика. 2022. № 17. С. 35-48.

35. Ломакин В.О. Разработка комплексного метода расчета проточных частей центробежных насосов с оптимизацией параметров: дисс. докт. техн. наук. Москва. 2018. 250 с.

36. Чабурко П.С. Разработка методики оптимизации проточных частей насосов с канальными отводящими устройствами: дисс. канд. техн. наук. Москва. 2021. 152 с.

37. Abhay Patil, Shyam Sundar, Adolfo Delgado, Jose Gamboa. CFD based evaluation of conventional electrical submersible pump for highspeed application // Journal of Petroleum Science and Engineering, Volume 182, 2019. P. 106287.

38. Wang Y. et al. Optimization and analysis of mine drainage pump with high efficiency and large flow // Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control. SAGE Publications Inc., 2022. Vol. 41, № 3. P. 1091-1107.

39. Wang W. et al. Introducing Non-Hierarchical RSM and MIGA for Performance Prediction and Optimization of a Centrifugal Pump under the Nominal Condition // Processes 2022, Vol. 10, Page 1529. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2022. Vol. 10, № 8. P. 1529.

40. Zhang L. et al. Optimization of a centrifugal pump to improve hydraulic efficiency and reduce hydro-induced vibration // Energy. Pergamon, 2023. Vol. 268. P. 126677.

41. Han X. et al. Centrifugal pump impeller and volute shape optimization via combined NUMECA, genetic algorithm, and back propagation neural network // Structural and Multidisciplinary Optimization. Springer, 2020. Vol. 61, №2 1. P. 381-409.

42. Nourbakhsh A., Safikhani H., Derakhshan S. The comparison of multi-objective particle swarm optimization and NSGA II algorithm: applications in centrifugal pumps // Engineering Optimization. Taylor & Francis, 2011. Vol. 43, № 10. P. 10951113.

43. Омран М., Жарковский А.А., Щур В.А., Свобода Д.Г. Методика проектирования и оптимизации лопастной системы радиально-осевой гидротурбины // Омский научный вестник. Серия Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2023. Т. 7. № 1. С. 47-54.

44. Семенова А.В., Чирков Д.В., Лютов А.Е. Целевые функционалы при оптимизации рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины // Научно-

технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2014. № 3 (202). С. 97-106.

45. Аверьянов А.С., Петров А.И. Оптимизация задних лопаток направляющего аппарата в многоступенчатом центробежном насосе // Гидравлика.

2021. № 12. С. 86-98.

46. Валюхов С.Г., Оболонская Е.М., Боровикова М.М. Оптимизация двухзаходного отвода центробежного насоса с помощью программного комплекса ANSYS // Насосы. Турбины. Системы. 2021. № 3 (40). С. 32-41.

47. Трулев А.В., Тимушев С.Ф., Ломакин В.О., Клипов А.В. Особенности повышения надежности и эффективности газосепараторов погружных установок электроцентробежных насосов для добычи пластовой жидкости // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2023. № 5 (758). С. 64-73.

48. Ломакин В.О., Валиев Т.З., Чабурко П.С. Применение оптимизационных алгоритмов для улучшения виброакустических свойств насосов // Гидравлика.

2022. № 13. С. 115-123.

49. Ломакин В.О., Михеев К.Г., Веселов А.А., Фоменко В.Д. Исследование возможности моделирования вибраций корпуса насоса из-за воздействия нестационарных гидродинамических сил // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. № 12 (753). С. 107-115.

50. Митюков А.А., Покровский Б.В. Исследование влияния формы языка в отводе на виброшумовые характеристики насоса Д4000-95 // Гидравлика. 2021. № 12. С. 19-32.

51. Изотова Т.В. Исследование рабочих характеристик центробежного погружного насоса // Научные горизонты. 2018. № 8 (12). С. 68-75.

52. Свобода Д.Г., Жарковский А.А. Экспериментальные и расчетные исследования осевого насоса с быстроходностью п = 570 // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 4-2. С. 579-582.

53. Ипанов А.С., Ошивалов М.А., Галягин К.С., Селянинов Ю.А., Савин М.А., Вахрамеев Е.И. Математическое моделирование работы многофазных гидроструйных насосов // Вестник Пермского национального исследовательского

политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2019. Т. 21. № 2. С. 15-22.

54. Баулин М.Н., Немтинова Д.А., Оболонская Е.М., Оболонская О.Ю., Шотер П.И. Расчетное исследование течения жидкости в центробежном насосе в среде ANSYS CFX // Насосы. Турбины. Системы. 2016. № 2 (19). С. 75-79.

55. Петров В.Е. Расчетная модель гидродинамических процессов работы погружного центробежного насоса // Известия Института инженерной физики. 2011. № 2 (20). С. 20-27.

56. Пугачев П.В. Расчет и проектирование лопастных гидромашин. Расчет вязкого течения в лопастных гидромашинах с использованием пакета ANSYS CFX : учеб. пособие / Пугачев П.В., Свобода Д.Г., Жарковский А.А. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. -120 с.

57. Гарбарук А.В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учебное пособие / Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - 88 с.

58. Снегирёв А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. — 143 с.

59. Горбатов Д.А., Жарковский А.А., Адрианов А.В. Оценка гидродинамической осевой силы погружного электронасоса на различных режимах его работы // Гидравлика. 2024. № 22. С. 60-68.

60. Горбатов Д.А., Жарковский А.А., Адрианов А.В. Исследование геометрических параметров щелевого уплотнения погружного электронасоса // В сборнике: Гидравлические и теплотехнические системы и агрегаты. Сборник материалов и докладов XXVII Международной научно-технической конференции. Москва, 2023. С. 53-57.

61. Горбатов Д.А., Жарковский А.А., Иванов Е.А., Борщев И.О. О влиянии чистоты поверхностей на гидравлические потери в центробежном насосе // В сборнике: Гидравлические машины, гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития.

Сборник научных трудов международной научно-технической конференции. 2018. С. 282-285.

62. Акимов С.В. Разработка методов математического моделирования и повышения энергоэффективности нефтяных магистральных насосов путем модернизации поверхности элементов проточной части: дисс. канд. техн. наук. Санкт-Петербург. 2022. 216 с.

63. Акимов С.В., Борисов Д.В. Моделирование центробежных насосов с использованием программного комплекса FLOWVISION // Компьютерные исследования и моделирование. 2023. Т. 15. № 4. С. 907-919.

64. Ломакин В.О., Петров А.И. Верификация результатов расчета в пакете гидродинамического моделирования STFR CCM+ проточной части центробежного насоса АХ 50-32-200 // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. № S. С. 6-9.

65. Семенова А.В., Чирков Д.В., Скороспелов В.А. Применение метода многоцелевой оптимизации для проектирования формы лопасти рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 4-2. С. 588-593.

66. Волков А.В., Парыгин А.Г., Вихлянцев А.А., Дружинин А.А. К вопросу об оптимизации проточной части рабочих колёс центробежных насосов // Надежность и безопасность энергетики. 2018. Т. 11. № 4. С. 311-318.

67. Горбатов Д.А., Жарковский А.А., Адрианов А.В. Влияние диаметра входа рабочего колеса на работу погружного электронасоса высокой быстроходности на режимах больших подач // Известия МГТУ МАМИ. 2022. Т. 16. № 3. С. 219-224.

68. Богун В.С. Способы повышения экономичности и ресурса питательных насосов для ТЭС с энергоблоками мощностью 250^1200 МВт: дисс. канд. техн. наук. Санкт-Петербург. 2011. 191 с.

69. Горбатов Д.А., Жарковский А.А., Адрианов А.В. Разработка экономичной математической модели для оптимизации проточной части водоотливного погружного электронасоса // В сборнике: Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы

развития. Сборник статей XII Всероссийской научно-технической конференции. Санкт-Петербург, 2022. С. 198-204.

70. Соколова М.А., Ригин В.Е., Семенова А.В. Оптимизационное проектирование формы лопасти рабочего колеса с использованием критерия «зависимость КПД от расхода». Гидравлические машины, гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Сб. науч. тр. Межд. науч.-тех. конф. Санкт-Петербург, Изд-во СПбПУ, 2016, с. 114-123.

71. Stephane Aubert, Pascal Ferrand, Francois Pacull, Martin Buisson. Fast CFD for Shape and Flow Parametrization with Meta-models Built on High order Derivatives. Applications to Fast Design. 27th International Congress of the Aeronautical Sciences (ICAS), Sep 2010, Nice, France. Hal-02153213.

72. Гарагулова А.К. Ускорение алгоритмов многоцелевой оптимизации путем использования суррогатных моделей. Тез. XIX Всерос. конф. молод. ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. Новосибирск, ИВТ СО РАН, 2018, с. 15-16.

73. Иванов Е.А. Разработка методики проектирования и оптимизации проточных частей осевых насосов на основе метамоделей: дисс. канд. техн. наук. Санкт-Петербург. 2024. 122 с.

74. Астракова А.С., Банников Д.В., Лаврентьев М.М. и др. Применения генетического алгоритма к задаче оптимального расположения датчиков. Вычислительные технологии, 2009, т. 14, № 5, с. 3-17.

75. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1988. -128 с.: ил.

76. ГОСТ 6134-2007. Насосы динамические. Методы испытаний.

77. Яременко О.В. Испытания насосов. Справочное пособие М., «Машиностроение», 1976. — 225 с. с ил.

78. Rettberg R., Kraenzler T. Hybrid Manufacturing: A New Additive Manufacturing Approach for Closed Pump Impellers // Industrializing Additive Manufacturing. Springer, Cham, 2021. P. 146-159.

79. Jayawardane H. et al. Investigating the 'techno-eco-efficiency' performance of pump impellers: metal 3D printing vs. CNC machining // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. Springer Science and Business Media Deutschland GmbH, 2022. Vol. 121, № 9-10. P. 6811-6836.

80. Ejiri S. Fan Type Inducer for a Centrifugal Pump by Wire Arc Additive Manufacturing and Machining // International Journal of Fluid Machinery and Systems. Turbomachinery Society of Japan, 2023. Vol. 16, № 2. P. 184-191.

81. Adiaconitei A. et al. A Study on Using the Additive Manufacturing Process for the Development of a Closed Pump Impeller for Mechanically Pumped Fluid Loop Systems // Materials 2021, Vol. 14, Page 967. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2021. Vol. 14, № 4. P. 967.

82. Ponticelli G.S. et al. Re-Engineering of an Impeller for Submersible Electric Pump to Be Produced by Selective Laser Melting // Applied Sciences 2021, Vol. 11, Page 7375. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2021. Vol. 11, № 16. P. 7375.

83. Горбатов Д.А., Жарковский А.А., Адрианов А.В. Нахождение оптимальных значений интегральных параметров проточной части погружного электронасоса на основе матрицы планирования эксперимента // В сборнике: Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. XXVI Международная научно-техническая конференция. Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Москва, 2022. С. 56-60.

84. Li D.H. et al. Performance Analysis of Hydraulic Machines Using Impellers Made from Conventional Steel and 3D Printing Co-polymer // IOP Conf Ser Mater Sci Eng. IOP Publishing, 2021. Vol. 1115, № 1. P. 012049.

85. Quail F.J., Scanlon T., Strickland M. Development of a regenerative pump impeller using rapid manufacturing techniques // Rapid Prototyp J. 2010. Vol. 16, № 5. P. 337-344.

86. Fernandez S. et al. Additive Manufacturing and Performance of Functional Hydraulic Pump Impellers in Fused Deposition Modeling Technology. 2016. Vol. 138. P. 024501.

87. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., «Машиностроение», 1975 г. — 559 с.

88. Riechmann, S.; Wunnicke, O.; Kwade, A. The Effect of Binder Loading on the Pore Size of 3D Printed PMMA. Materials 2021, 14(5), 1190.

89. Jianjun Zhu, Hattan Banjar, Zhenyan Xia, Hong-Quan Zhang. CFD simulation and experimental study of oil viscosity effect on multi-stage electrical submersible pump (ESP) performance / Journal of Petroleum Science and Engineering, Volume 146, 2016, Pages 735-745.

90. Жарковский А.А., Шкарбуль С.Н., Борщев И.О. Исследование течения в направляющем аппарате канального типа М.: МЭИ Сб. науч. тр. № 98. 1986. - с. 68-74.

91. Валюхов С.Г., Оболонская Е.М., Житенев А.И. Верификация и валидация численного моделирования течения жидкости в проточной части магистрального насоса // Насосы. Турбины. Системы. 2019. № 3 (32). С. 79-88.

92. Голиков В.А. Лопастные машины и гидродинамические передачи. Расчет и проектирование лопастной системы: Метод. указания. 2008. 50 с.

93. Голиков В.А., Жарковский А.А., Топаж Г.И. Программные комплексы для расчета течения и автоматизированного проектирования лопастных гидромашин // НТВ СПбГПУ. Серия: Наука и образование, 2012. №1 (142). С. 199206.

94. Патент RU23744960 на изобретение «Электронасос погружной».

95. Акимов С.В., Шотер П.И. Расчет гидравлических потерь в спиральном отводе центробежного насоса // Насосы. Турбины. Системы. 2018. № 1 (26). С. 5665.

96. Горбатов Д.А., Жарковский А.А., Адрианов А.В. Стохастический метод поиска оптимальной формы проточной части погружного электронасоса // Известия МГТУ МАМИ. 2024. Т. 18. № 2. С. 103-110.

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

Список рисунков

Рисунок 1.1 - Погружной насос 10АП-18 х 6 [1].......................................................11

Рисунок 1.2 - Герметический электронасос ГЦН-10/60 [3].....................................13

Рисунок 1.3 - Погружной центробежный электронасос [94]...................................14

Рисунок 2.1 - Водоотливные погружные электронасосы.........................................30

Рисунок 2.2 - Конструкция исследуемых погружных электронасосов..................31

Рисунок 2.3 - Вид РК и НА исследуемых насосов....................................................33

Рисунок 2.4 - Вид области выхода ОУ исследуемых насосов.................................37

Рисунок 2.5 - Вид пазух с передним уплотнением РК насоса с п8 = 296................ 38

Рисунок 2.6 - Расчетная область насоса с п8 = 296.................................................... 39

Рисунок 2.7 - Меридианная проекция пазух РК насоса с п8 = 296..........................41

Рисунок 2.8 - Сеточная сходимость численной модели расчета характеристик ... 45

Рисунок 2.9 - Расчетная сетка в ВП насоса с п8 = 130...............................................47

Рисунок 2.10 - Расчетная сетка в РК насоса с п8 = 130.............................................47

Рисунок 2.11 - Расчетная сетка в ОУ насоса с п8 = 130............................................48

Рисунок 2.12 - Расчетная сетка в пазухах РК насоса с п8 = 130...............................49

Рисунок 2.13 - Области течения в ОУ исследуемых насосов..................................50

Рисунок 2.14 - Поля скоростей в РК и НА исходной ПЧ насосов...........................56

Рисунок 2.15 - Линии тока в исходной ПЧ насосов..................................................57

Рисунок 2.16 - Характеристики электронасосного агрегата с п8 = 130...................64

Рисунок 2.17 - Характеристики электронасосного агрегата с п8 = 187...................65

Рисунок 2.18 - Характеристики электронасосного агрегата с п8 = 207................... 65

Рисунок 2.19 - Характеристики электронасосного агрегата с п8 = 296................... 66

Рисунок 3.1 - Исследованные варианты НА различной конструкции....................69

Рисунок 3.2 - Структура течения в ОУ с исследованными вариантами НА..........70

Рисунок 3.3 - Полные кавитационные характеристики трех вариантов РК...........72

Рисунок 3.4 - Меридианное сечение и вид в плане спроектированного РК..........73

Рисунок 3.5 - Меридианное сечение спроектированного ОУ..................................75

Рисунок 3.6 - Вид в плане спроектированного ОУ...................................................75

Рисунок 3.7 - Законы изменения углов установки и охвата лопасти РК................78

Рисунок 3.8 - Закон изменения толщины лопасти РК..............................................79

Рисунок 3.9 - Законы изменения углов установки и охвата лопатки НА...............80

Рисунок 3.10 - Закон изменения толщины лопатки НА...........................................80

Рисунок 3.11 - Входные параметры ПЧ в меридианной проекции.........................82

Рисунок 3.12 - Входные параметры ПЧ на виде в плане..........................................82

Рисунок 3.13 - Сеточная сходимость численной модели для оптимизации..........84

Рисунок 4.1 - Корреляция параметров с напором насоса.........................................89

Рисунок 4.2 - Корреляция параметров с гидравлическим КПД насоса..................89

Рисунок 4.3 - Зависимость напора насоса от параметра Рл2.....................................92

Рисунок 4.4 - Зависимость гидравлического КПД насоса от параметра рл3..........92

Рисунок 4.5 - Разбиение поля поиска МПЭ для рл3 и рл4 (25 расчетных точек).....97

Рисунок 4.6 - Разбиение поля поиска МПЭ для рл3 и рл4 (50 расчетных точек).....97

Рисунок 4.7 - Разбиение поля поиска МПЭ для рл3 и рл4 (100 расчетных точек) ... 98 Рисунок 4.8 - Разбиение поля поиска МПЭ для рл3 и рл4 (200 расчетных точек) ... 98 Рисунок 4.9 - Зависимость максимального гидравлического КПД насоса от

количества расчетных точек в МПЭ...........................................................................99

Рисунок 4.10 - Распределение количества расчетных точек в МПЭ по

полученным значениям гидравлического КПД насоса...........................................101

Рисунок 4.11 - Гидравлический КПД насоса в МПЭ (50 расчетных точек).........102

Рисунок 4.12 - Максимальный гидравлический КПД насоса (метод MOGA).....106

Рисунок 4.13 - Траектория уточняющего поиска максимума (метод MOGA).....107

Рисунок 4.14 - Максимальный гидравлический КПД насоса (метод ASO).........108

Рисунок 4.15 - Траектория уточняющего поиска максимума (метод ASO).........109

Рисунок 4.16 - Максимальный гидравлический КПД насоса (метод NLPQL) .... 110 Рисунок 4.17 - Траектория уточняющего поиска максимума (метод NLPQL) .... 111

Рисунок 4.18 - Максимальный гидравлический КПД насоса (метод LHS)..........112

Рисунок 4.19 - Траектория уточняющего поиска максимума (метод LHS).........113

Рисунок 4.20 - Структура течения в исходной и оптимизированной ПЧ.............119

Рисунок 4.21 - Расчетные характеристики исходной и оптимизированной ПЧ .. 121

Рисунок 5.1 - Схема гидравлического контура экспериментального стенда.......124

Рисунок 5.2 - 3Э-модель экспериментального стенда............................................128

Рисунок 5.3 - Экспериментальный стенд с основными сборочными узлами......129

Рисунок 5.4 - Схема установки электронасоса с расположением манометров.... 131 Рисунок 5.5 - 3Э-модель исследуемого погружного электронасоса с п8 = 296.... 135

Рисунок 5.6 - Исследуемый погружной электронасос с п8 = 296 .......................... 135

Рисунок 5.7 - Схема 3Э-печати (БД-технология)....................................................138

Рисунок 5.8 - 3Б-принтер Уохе1М УХ 500 (БД-технология).................................138

Рисунок 5.9 - Этапы изготовления РК из латуни (БД-технология).......................140

Рисунок 5.10 - Изготовленный НА из капролона (механическая обработка)......141

Рисунок 5.11 - Схема 3Б-печати (БОМ-технология)..............................................142

Рисунок 5.12 - 3Б-принтер Яа18е3Э Рго2 (ББМ-технология)................................143

Рисунок 5.13 - 3Э-печать РК из полилактида (БЭМ-технология).........................146

Рисунок 5.14 - 3Э-печать НА из полилактида (БЭМ-технология)........................147

Рисунок 5.15 - РК и НА исходной и оптимизированной ПЧ (два варианта).......148

Рисунок 5.16 - Исходная и оптимизированная ПЧ (два варианта)........................149

Рисунок 5.17 - Характеристики агрегата с п8 = 296 (исходная ПЧ)......................151

Рисунок 5.18 - Характеристики агрегата с п8 = 296 (оптимизированная ПЧ)......151

Список таблиц

Таблица 2.1 - Основные технические параметры исследуемых насосов...............30

Таблица 2.2 - Основные параметры численной модели...........................................44

Таблица 2.3 - Основные параметры расчетной сетки...............................................46

Таблица 2.4 - Баланс гидравлических потерь в ПЧ насоса с п8 = 130.....................52

Таблица 2.5 - Баланс гидравлических потерь в ПЧ насоса с п8 = 187.....................53

Таблица 2.6 - Баланс гидравлических потерь в ПЧ насоса с п8 = 207..................... 53

Таблица 2.7 - Баланс гидравлических потерь в ПЧ насоса с п8 = 296..................... 54

Таблица 2.8 - Интегральные показатели насоса с п8 = 130.......................................62

Таблица 2.9 - Интегральные показатели насоса с п8 = 187.......................................63

Таблица 2.10 - Интегральные показатели насоса с ns = 207.....................................63

Таблица 2.11 - Интегральные показатели насоса с ns = 296.....................................64

Таблица 3.1 - Основные размеры спроектированной ПЧ.........................................76

Таблица 3.2 - Варьируемые входные параметры ПЧ................................................81

Таблица 4.1 - Коэффициенты корреляции входных параметров............................88

Таблица 4.2 - Диапазон изменения значений входных параметров для МПЭ.......94

Таблица 4.3 - Вычислительные ресурсы и время расчета МПЭ............................103

Таблица 4.4 - Основные параметры метода MOGA при уточнении максимума . 106

Таблица 4.5 - Основные параметры метода ASO при уточнении максимума.....108

Таблица 4.6 - Основные параметры метода NLPQL при уточнении максимума 110

Таблица 4.7 - Основные параметры метода LHS при уточнении максимума......112

Таблица 4.8 - Гидравлический КПД насоса при уточняющем поиске.................114

Таблица 4.9 - Гидравлический КПД насоса на различных этапах........................116

Таблица 4.10 - Значения параметров исходной и оптимизированной ПЧ...........117

Таблица 4.11 - Гидравлические потери в исходной и оптимизированной ПЧ .... 118

Таблица 4.12 - Сравнение интегральных показателей агрегата с ns = 296........... 121

Таблица 5.1 - Основные характеристики средств измерений................................133

Таблица 5.2 - Основные параметры 3D-печати выжигаемых моделей РК...........139

Таблица 5.3 - Основные характеристики полилактида..........................................144

Таблица 5.4 - Основные параметры 3D-печати РК и НА из полилактида...........145

ПРИЛОЖЕНИЕ А

АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

СУЛАК

Общество с Ограниченной Ответственностью

«СУЛАК»

194044, Санкт-Петербург, ул. Чугунная, д. 20 тел.: [phone], E-mail: [e-mail] ОКПО: 45540834, ОГРН: 1137847040198, ИНН: 7804501585, КПП: 780401001

АКТ

о внедрении результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Горбатова Даниила Анатольевича

Настоящий акт составлен в том, что результаты диссертации Горбатова Даниила Анатольевича, выполненной на тему «Разработка методики проектирования и оптимизации проточной части погружных электронасосов высокой быстроходности» и представленной к защите на соискание ученой степени кандидата технических наук по научной специальности «2.5.10. Гидравлические машины, вакуумная, компрессорная техника, гидро- и пневмосистемы», использованы в практической деятельности ООО «СУЛАК» при проектировании изделий общепромышленного и специального назначения в виде:

1. Методики расчета течения, интегральных показателей и характеристик погружных электронасосов типа ВПЭН.

2. Методики численной оптимизации проточной части одноступенчатых моноблочных погружных электронасосов.

3. Рекомендаций по проектированию лопаточного направляющего аппарата погружного электронасосного агрегата ВПЭН 160/15.

4. Рекомендаций по выбору материалов и аддитивных технологий изготовления опытных образцов рабочих колес и направляющих аппаратов, предназначенных для экспериментальной отработки проточной части погружных электронасосов.

5. Улучшения массогабаритных показателей погружного электронасосного агрегата ВПЭН 160/15.

Внедрение результатов диссертации, полученных Горбатовым Д.А., позволило модернизировать текущие и создавать новые проточные части погружных электронасосов типа ВПЭН с высокими показателями энергоэффективности.

Генеральный директор ООО «СУЛАК»

Адрианов А. В.

(ФИО.)

Акционерное общество «Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт»

(АО «Силовые машины»)

ул. Ватутина, д. 3, лит. А, Санкт-Петербург, Россия, 195009, тел. [phone], факс [phone]

[e-mail]; www.power-m.ru

АКТ

о внедрении результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Горбатова Даниила Анатольевича

Настоящий акт составлен в том, что результаты диссертации Горбатова Даниила Анатольевича, выполненной на тему «Разработка методики проектирования и оптимизации проточной части погружных электронасосов высокой быстроходности» и представленной к защите на соискание ученой степени кандидата технических наук по научной специальности «2.5.10. Гидравлические машины, вакуумная, компрессорная техника, гидро- и пневмосистемы», использованы в практической деятельности АО «Силовые машины» при проектировании изделий общепромышленного назначения в виде:

1. Методики расчета и проектирования проточных частей центробежных насосов.

2. Рекомендаций оптимизационного поиска оптимальной формы проточной части центробежных насосов.

3. Рекомендаций ЗЭ-печати рабочих колес и направляющих аппаратов для экспериментальных исследований насосов центробежного типа.

Начальник управления -Главный конструктор насосных агрегатов АО «Силовые машины»

Федоров С. П.