Учебное пособие 1239
.pdfМИНИСТЕРСТВО 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
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
для выполнения курсового проекта по дисциплине: «Оптимизационная стратегия проектирования
энергетических установок газонефтепроводов»
В курсовом проекте решается задача многофакторного исследования и оптимизации характеристик магистральных нефтяных насосов (МНН) на основе заданных исходных данных при помощи специализированных компьютерных средств для параметрических исследований и нелинейной оптимизации.
Исходные данные
Выбор варианта для выполнения проекта осуществляется путем умножения каждого значения варьируемого параметра из ячеек табл. 1 на коэффициент в виде десятичной дроби (1,zx), где z – предпоследняя и x –
последняя цифры зачетной книжки.
Постановка задачи
В ходе работы должен быть проведено планирование эксперимента и со-
здана методика, позволяющая оценивать воздействие изменения проектных па-
раметров на характеристики создаваемых МНН с помощью системы инженер-
ного анализа STATISTICA.
В качестве исходных положений принята методика создания и типовые параметры МНН разработки АО «Турбонасос». Магистральные нефтяные насосы серии МНН предназначены для перекачки нефти по системе магистральных трубопроводов с заданными расходом, напором и КПД.
Разработка насосов МНН АО «Турбонасос» проводится с учетом накоп-
ленного опыта на основании следующих основных положений:
3
- 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.
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
План эксперимента |
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Варьируемые параметры |
Целевые критерии |
||
опыта |
β1 |
β2 |
КПД ηг |
Fр |
1 |
16 |
22 |
0,947524 |
16479 |
2 |
18,5 |
19,5 |
0,942664 |
17722 |
3 |
13,5 |
24,5 |
0,94536 |
15542 |
4 |
14,75 |
20,75 |
0,9495 |
16959 |
5 |
19,75 |
25,75 |
0,93047 |
15228 |
6 |
17,25 |
18,25 |
0,946543 |
18562 |
7 |
12,25 |
23,25 |
0,9837 |
15925 |
8 |
12,875 |
20,125 |
0,951928 |
17253 |
9 |
17,875 |
25,125 |
0,937205 |
15366 |
10 |
20,375 |
17,625 |
0,938231 |
19162 |
11 |
15,375 |
22,625 |
0,946841 |
16164 |
12 |
14,125 |
18,875 |
0,951914 |
17993 |
13 |
11,625 |
26,375 |
0,9402 |
15068 |
14 |
16,625 |
21,375 |
0,946316 |
16733 |
15 |
19,125 |
23,875 |
0,936129 |
15748 |
16 |
11,9375 |
21,6875 |
0,948014 |
16532 |
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