Учебное пособие 1239

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра нефтегазового оборудования и транспортировки

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ANSYS DESIGNXPLORE

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению курсового проекта по дисциплине «Оптимизационная стратегия проектирования и эксплуатации технологического оборудования газонефтепроводов»

по направлению 21.04.01 «Нефтегазовое дело» (программа магистерской подготовки «Моделирование и оптимизация

рабочих процессов в энергетических системах газонефтепроводов») всех форм обучения

Воронеж 2021

УДК 621.67:532.528(07)

ББК 30.123я7

Составители: д-р техн. наук С. Г. Валюхов, канд. техн. наук Д. Н. Галдин, д-р техн. наук А. В. Кретинин

Оптимизация проточной части центробежного насоса с использова-

нием ANSYS DesignXplore: методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Оптимизационная стратегия проектирования и эксплуатации технологического оборудования газонефтепроводов» по направлению 21.04.01 «Нефтегазовое дело» (программа магистерской подготовки «Моделирование и оптимизация рабочих процессов в энергетических системах газонефтепроводов») всех форм обучения/ ФГБОУ ВО "Воронежский государственный технический университет"; сост.: С. Г. Валюхов, Д. Н. Галдин, А. В. Кретинин. - Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. 20 с.

В методических указаниях представлены требования к выполнению курсового проекта по дисциплине «Оптимизационная стратегия проектирования и эксплуатации технологического оборудования газонефтепроводов». Целью указаний является выработка навыков работы с инструментарием ANSYS Workbench, применение современных расчетных комплексов для решения задач оптимизационного проектирования.

Предназначены для студентов направления 21.04.01 «Нефтегазовое дело» всех форм обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле МУ_КП_ОСП.pdf .

Ил. 13. Табл. 1. Библиогр.: 3 назв.

УДК 621.67:532.528(07)

ББК 30.123я7

Рецензент - Д. П. Шматов, канд. техн. наук, доц. кафедры ракетных двигателей ВГТУ

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

2

- насосы конструктивно выполняются как центробежные (или шнеко-

центробежные) горизонтальные, одноступенчатые, с колесом двустороннего входа, межопорные (колесо расположено между подшипниковыми опорами), с

горизонтальной плоскостью разъема корпуса, полуспиральным подводом и двухзавитковым отводом;

- входной и выходной патрубки располагаются в нижней части корпуса и направлены в противоположные стороны перпендикулярно к продольной оси насоса.

Обеспечение ресурса в значительной степени зависит от правильности выбора параметров, определяющих работоспособность элементов конструкции насосов. Для насосов типа МНН такими параметрами являются:

-объемная подача насоса;

-полное давление на выходе из насоса;

-минимально допускаемое полное давление на входе в насос;

-максимальная подача насоса;

-минимальная подача насоса;

-рабочая жидкость;

-максимальная температура жидкости на входе;

-плотность;

-кинематическая вязкость;

-давление насыщенных паров;

-минимальный КПД насоса;

-минимальный ресурс;

-форма напорной характеристики;

-расположение вала;

-уплотнения вала;

-рабочее колесо;

-тип подвода;

-отвод.

4

При выполнении настоящей курсовой работы проводится оптимизация гидродинамических процессов проточной части насоса, аналогичного типовому МНН размерностью 7500/249.

При оптимизации используется обладающая наиболее высокими робастными свойствами технология Response Surface Optimization («поверхность отклика»). Суть данного подхода заключается в следующем:

сначала генерируется план физического либо численного эксперимента; далее проводится эксперимент для получения значений функции отклика в точках плана; по полученным точкам строится многофакторная поверхность отклика;

полученная поверхность отклика далее может быть использована и для расчета значений целевой функции в произвольной точке факторного пространства, и

для оптимизации с целью нахождения экстремального значения функции цели.

В настоящей курсовой работе в процессе оптимизации оценивается влия-

ние геометрических параметров на основные характеристики рабочего колеса – потери напора в насосе и суммарную радиальную силу на ротор насоса. По ре-

зультатам анализа выявлен набор параметров, оказывающих наибольшее влия-

ние на указанные характеристики лопаточной машины. Параметры проточной полости насоса, таким образом, делятся на показатели качества (критерии цели,

критерии эффективности, целевые функции) и варьируемые параметры.

На основе данных научно-технического задела АО «Турбонасос»,

показателями качества проточной полости лопастного насоса приняты гидравлический КПД насоса ηг и радиальная сила на ротор Fр. Варьируемыми параметрами, определяющими требования и ограничения на решение инженерно-конструкторских задач при проектировании проточной части МНН,

определены угол установки лопасти на входе β1 и угол установки лопасти на выходе β2.

Вербальная постановка задачи оптимизации состоит в следующем: подо-

брать углы установки лопасти на входе и выходе такие, что гидравлический

5

КПД насоса ηг стремится к максимальному значению, а радиальная сила на ротор Fр, приводящая к вибрациям насоса, стремится к минимальному значению.

В качестве исходных данных для формирования вариантов курсовой работы использованы результаты определения оптимального профиля лопасти насоса МНН 7500/249. Для углов установки лопасти сгенерированы 16 точек в области факторного пространства 1 11, 21 и 2 17, 27 . Итоги расчета согласно плану эксперимента представлены в табл. 1.

Комплексный анализ исследования влияния конструктивных характеристик проточной части на основные показатели МНН на номинальном режиме проводить согласно специализированных программных комплексов

STATISTICA или ANSYS DesignXplore. Процедура оптимизации с использованием ANSYS DesignXplorer изложена в п. 2.

6

2. Процедура оптимизации с использованием ANSYS DesignXplorer

В качестве программной составляющей в ПАМ «Оптимизация» использу-

ется модуль ANSYS DesignXplorer, позволяющий осуществлять управление па-

раметрами для прогнозирования влияния параметрических или геометрических изменений на поведение конструкции.

Модуль обеспечивает проведение анализа планирования эксперимента для любого расчета, выполненного в среде ANSYS Workbench, в том числе, при наличии CAD-параметров.

Совокупность технологии ANSYS DesignXplorer и инструментов для вы-

полнения междисциплинарных расчетов ANSYS делает выполнение парамет-

рического анализа возможным практически для каждого расчета.

Программное обеспечение ANSYS DesignXplorer поддерживает все обла-

сти физики, доступные из схемы проекта ANSYS Workbench: механика дефор-

мируемого твердого тела (как неявная, так и явная), динамика жидкостей и га-

зов, междисциплинарные расчеты. Также поддерживается комбинированный анализ, при котором расчеты из разных областей физики выполняются незави-

симо или в сопряженном виде.

Далее изложены основные принципы работы с ПАМ при использовании модуля DesignXplorer на примере оптимизации рабочего колеса магистрального нефтяного насоса с подачей 7500 м3/ч и напором 249 метров.

Вербальная постановка задачи оптимизации состоит в следующем - подо-

брать значения следующих геометрических параметров, определяющих про-

филь лопатки рабочего колеса: углы установки лопасти на входе и выходе (β1s –

угол установки лопасти на входе на покрывном диске, и β2 – угол установки лопасти на выходе) такие, что гидравлический КПД насоса стремится к макси-

мальному значению. При этом кавитационный запас насоса является ограниче-

нием и будет вычисляться для наилучшего варианта лопасти.

7

Сформированная параметризованная модель анализа, включающая ин-

струменты Vista CPD, BladeGen, Geometry, TurboGrid и CFX, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетный блок

Расчетный блок состоит из отдельных расчетных модулей. В модуле А ис-

пользуется инструмент Vista CPD для формирования меридионального сечения лопаточного колеса. Далее эти данные передаются в модуль B, где с помощью

BladeGen проектируется лопастная система с лопатками двойной кривизны. За-

тем эти данные передаются в модуль С, где с помощью инструментов TurboGrid создается расчетная сетка. Далее сеточная модель колеса передается для моделирования в CFX (модуль D). Кроме того, готовые геометрии подвода,

направляющего аппарата и отвода загружаются в модуль E, где средствами DM

и Mesh создаются сеточные модели и подгружаются в CFX Pre модуля D. С по-

мощью инструмента CFX Pre формируются граничные условия (на входе, вы-

ходе, стенках, интерфейсах), параметры моделирования (модель турбулентно-

сти, зависимости плотности, вязкости, давление насыщенных паров и пр.) и пе-

редаются в решатель CFX. В решателе задаются параметры алгоритма решения

8

сеточных уравнений и запускается процесс решения. После сходимости систе-

мы сеточных уравнений результаты передаются в CFX Post, где обрабатывают-

ся и выводятся в качестве выходных критериев оптимизации.

Нужно обратить внимание, что между блоками Vista CPD и BladeGen в по-

ле проекта не прорисована двунаправленная связь, как, например, между

BladeGen и TurboGrid. Это значит, что расчетный блок, изображенный на рис.

А.1, является параметрически незамкнутым и не обеспечивает прямой интегра-

ции с блоком оптимизации DesignXplorer. Поэтому для его использования раз-

работана нижеследующая пошаговая инструкция.

На предварительном этапе осуществляются параметрические исследования с использованием последовательности, изложенной в методике автоматизиро-

ванного проектирования (приложение Б) для ПАМа «Гидравлика».

Для углов установки лопасти осуществлялись параметрические иссследо-

вания по двум факторам β1s и β2. План эксперимента для параметрических ис-

следований формируется с использованием ЛПτ-алгоритма. Для насоса МНН

7500.249 сгенерированы 16 точек ЛПτ -последовательности для углов установки лопасти в следующей области факторного пространства 1s 11,21 и2s 17,27 . Координаты этих 16 точек следующие: (16,22), (18.5,19.5),

(13.5,24.5), (14.75,20.75), (19.75,25.75), (17.25,18.25),(12.25,23.25),

(12.875,20.125), (17.875,25.125), (20.375,17.625),(15.375,22.625), (14.125,18.875), (19.125,23.875), (16.625,21.375), (11.625,26.375), (11.9375,21.6875). Процедура генерации точек описана в 2068083.425310.011.ПМ «Программа и методика ис-

пытаний».

Угол на входе – shroudbladeangle – первый параметр в скобках

Угол на выходе – под заголовком trailingedgebladeangles параметр bladeangle – второй параметр в скобках.

Критерии оптимизации вычисляются в программной среде ANSYS CFX.

9

Далее приводятся результаты параметрических исследований зависимости КПД насоса МНН 7500.249 от углов установки лопасти на входе и выходе. Ре-

зультаты расчета в ANSYS CFX в 16 точках плана эксперимента представлены в табл. 1.

После этого непосредственно можно переходить к оптимизации в среде

ANSYS Workbench с использованием модуля DesignXplorer.

Запускаем ANSYS Workbench 15.0. В панели инструментов Toolbox рас-

крываем вкладку Design Exploration, далее выбираем Response Surface Optimization и дважды кликаем левой кнопкой мыши (ЛКМ). В поле Project Schematic

появляется структура нашей модели (рис. 2).

Рис. 2. Запуск DesignXplorer

В поле Project Schematic дважды кликаем ЛКМ по прямоугольнику Parameter Set (рис. 3).

10