Современные методы проектирования насосного оборудования
Около трети мирового потребления электроэнергии приходится на долю насосного оборудования. В некоторых отраслях этот показатель достигает 50 % и более. В целом же в таких отраслях, как нефтедобыча и нефтепереработка, химическая промышленность, водоснабжение и водоотведение, до 85 % затрат на эксплуатацию насосного оборудования составляют именно платежи за электроэнергию. Стремясь снизить эту долю, ведущие производители насосов применяют все более современные способы проектирования и технологии производства, позволяющие повысить энергоэффективность оборудования, продлить срок его службы и тем самым сократить расходы на эксплуатацию. Разработка любого вида центробежных насосов начинается с проектирования гидравлической части, которое сегодня невозможно представить без использования САПР и методов гидродинамического моделирования течения перекачиваемой жидкости.
Современные методы проектирования насосного оборудования
Около трети мирового потребления электроэнергии приходится на долю насосного оборудования. Например, в Китае, по данным профессионального насосного комитета китайского машиностроительного сообщества (Pump Professional Committee of the Chinese Mechanical Engineering Society), насосная продукция потребляет от 19 до 23 % годового объема выработки электроэнергии. В некоторых отраслях этот показатель достигает 50 % и более. В целом же в таких отраслях, как нефтедобыча и нефтепереработка, химическая промышленность, водоснабжение и водоотведение, до 85 % затрат на эксплуатацию насосного оборудования составляют именно платежи за электроэнергию. Стремясь снизить эту долю, ведущие производители насосов применяют все более современные способы проектирования и технологии производства, позволяющие повысить энергоэффективность оборудования, продлить срок его службы и тем самым сократить расходы на эксплуатацию.
Разработка любого вида центробежных насосов начинается с проектирования гидравлической части, которое сегодня невозможно представить без использования САПР и методов гидродинамического моделирования течения перекачиваемой жидкости. Как устроен этот процесс, рассмотрим на примере разработки новой серии насосов CDM/CDMF: использование при их создании передовых методов проектирования позволило на 4–9 % увеличить КПД оборудования и снизить эффективный положительный напор на всасывании (NPSH). Кроме того, конструкция проточной части новых моделей была значительно переработана с целью повышения эффективности самих агрегатов и оптимизации производственных процессов.
Для создания трехмерных моделей элементов проточной части использовалось современное ПО AxCent (рис. 1), позволяющее гибко варьировать все параметры, влияющие на будущие характеристики насосов.
Рис. 1. Процесс проектирования рабочего колеса насоса в программе AxCent
После получения предварительной геометрии проточной части проводится оптимизация ее параметров, сопряженная с процессом гидродинамического моделирования. Методы оптимизации и программное обеспечение могут быть разными, в компании CNP применяется одно из наиболее популярных решений – Ansys (рис. 2). Общий алгоритм разработки можно представить следующим образом:
- создание первичной модели проточной части;
- моделирование динамики течения в первичной модели;
- на основе результатов моделирования оптимизационными методами создаются следующие вариации проточной части;
- моделирование этих вариаций с целью достижения требуемых характеристик;
- выбор трех-пяти наилучших моделей по совокупности характеристик (значению целевой функции оптимизации).
Рис. 2. Визуализация процесса течения жидкости в программе Ansys
Для создания одной оптимальной проточной части насоса может быть проведено порядка 200–300 моделирований течения с последующим изменением геометрии. Такой подход требует использования достаточно больших вычислительных мощностей, однако только так можно обеспечить наилучшие характеристики оборудования.
Рис. 3. Сравнение NPSH одной ступени для CDM(F)125 и CDM(F)120 (NPSH в номинальной точке снижен на 2,5 м)
Рис. 4. Сравнение NPSH одной ступени для CDM(F)125 и CDM(F)120 (NPSH в номинальной точке снижен на 2,5 м)
Помимо очевидных параметров – напора, подачи и КПД – важным фактором является также достижение приемлемых значений NPSH, что особенно важно для насосов с большими значениями подач. В этом плане новые модели насосов CDM/CDMF отличаются значительным снижением относительно моделей предыдущего поколения (рис. 3, 4). Достичь подобных показателей удалось за счет комплекса мероприятий по изменению геометрии рабочего колеса:
- изменение положения входной кромки лопастей;
- увеличение диаметра рабочего колеса на всасывании;
- корректировка графика изменения площадей в рабочем колесе.
После выбора наиболее подходящих моделей проточных частей необходимо провести верификацию полученных данных и выполнить физическое моделирование. На производственных площадках компании CNP для этого активно используются аддитивные технологии (рис. 5), которые позволяют быстро и с достаточной точностью создать прототип будущего насоса.
Рис. 5. Элементы проточной части насосов CDM, выполненные методами 3D-печати
После изготовления прототипа проводятся гидравлические испытания и формулируются выводы относительно достоверности проведенного исследования, затем выбирается наилучшая модель, которая будет использована для производства всей серии насосов.
На этом этапе инженеры финализируют проточную часть с точки зрения производственных возможностей, а также прорабатывают другие элементы системы. Например, в компании CNP используются методы штамповки и сварки нержавеющей стали вместо литья, что позволяет более качественно передать геометрию 3D-модели при изготовлении (рис. 7).
Рис. 7. Изменение процесса изготовления элементов проточной части
В частности, такой подход позволил повысить КПД новой серии насосов CDM/CDMF на 1–2 %.
На данном этапе в компании активно используют программное обеспечение SolidWorks, предоставляющее широкие возможности для прочностных расчетов методом конечных элементов.
Также были оптимизированы и отдельные элементы проточной части (рис. 8). Например, подвод жидкости в первую ступень рабочего колеса стал более плавным, так же как и выход с последней ступени в напорную камеру. Были полностью переработаны ступени (рабочие колеса и диффузоры).
Рис. 8. Оптимизация конструкции насосов
Эти изменения позволили значительно сократить потери на вихреобразование в проточной части насосов, что привело к повышению гидравлического КПД на 3–5 % относительно показателей предыдущего поколения оборудования. Графики изменения значений КПД на одну ступень приведены
на рис. 9–11.
Рис. 9. Сравнение КПД одной ступени для CDM(F)95 и CDM(F)85 (КПД в номинальной точке увеличен на 4,5 %)
Рис. 10. Сравнение КПД одной ступени для CDM(F)125 и CDM(F)120 (КПД в номинальной точке увеличен на 9 %)
Рис. 11. Сравнение КПД одной ступени для CDM(F)155 и CDM(F)150 (КПД в номинальной точке увеличен на 9 %)
Рис. 12. Диапазон гидравлических характеристик новых моделей
Данное обновление позволило значительно расширить диапазон гидравлических характеристик насосов (рис. 12) относительно показателей оборудования предыдущего поколения. За счет переработки конструкции рабочих колес у новых моделей увеличилась зона допустимых для эксплуатации подач. Также изменения коснулись и показателей напора каждой из ступеней, вследствие чего напор каждой модели в целом увеличился.
Окончание статьи читайте в следующем номере.
![](/_templates/abok_v2/img/img5.jpg)
Статья опубликована в журнале “АВОК” за №6'2024
![PDF](/_templates/abok_v2/img/ico-pdf.png)
Статьи по теме
- CNP в России: новая производственная площадка
АВОК №4'2024 - WILO: инновационные производственные решения
Сантехника №3'2024 - Создание и развитие метода моделирования в отопительно-вентиляционной технике в СССР
АВОК №6'2008 - Промышленное насосное оборудование. Какие прикладные задачи позволяет решить? Обзор актуальных моделей
Сантехника №4'2024 - Здание должно мыслить. Новогоднее эссе
АВОК №1'2016 - Вертикальные многоступенчатые насосы CNP CDM – надежность и энергоэффективность
Сантехника №3'2023 - Особенности проектирования систем водяного отопления с внутрипольными конвекторами
АВОК №7'2017 - Умный завод CNP
Сантехника №5'2023 - Особенности проектирования систем водяного отопления с внутрипольными конвекторами
АВОК №8'2017 - CNP AIKON: обновление продуктовой линейки циркуляционных насосов с мокрым ротором серии CMS(L)
Сантехника №4'2024