Математическое моделирование процессов функционирования роторно-поршневого насоса

В работе приводятся результаты построения геометрической модели насоса, исследования кинематики и процессов, происходящих при его работе в различных гидродинамических режимах, а также расчетов напряженно-деформированного состояния деталей насоса. Для выполнения отдельных этапов расчетов использованы программы различного назначения.

Для повышения конкурентоспособности и технического уровня насосов, предназначенных для перекачки различных жидкостей и газов, существует необходимость повышения их эксплуатационных характеристик, сокращения сроков и стои-мости их разработки и испытаний.

Использование современных пакетов автоматизированного инженерного анализа является на сегодняшний день наиболее эффективным расчетным методом оценки прочности, прогнозирования долговечности и оптимизации конструктивных параметров изделий машиностроения, в том числе и роторно-поршневых насо-сов.

Геометрические модели деталей и внутренних полостей насоса были построены по представленным заказчиком чер-тежам с использованием программы твердотельного модели-рования. Геометрическая модель насоса показана на рис. 1.

Рис. 1. Геометрическая модель насоса

Кинематика насоса исследовалась с помощью специа-лизированной программы.

Далее осуществлялось моделирование гидродинами-ческих процессов.

Используемая расчетная сетка показана на рис. 2,б.

Задача трехмерного нестационарного турбулентного течения описывалась известными уравнениями Навье-Стокса с рейнольдсовским усреднением пульсационных составляющих параметров течения вызванных турбулентностью.
Течение считалось изотермическим.

Целью моделирования гидродинамических процессов являлось определение нестационарных нагрузок на рабочие органы насоса, подводимой мощности и гидродинамического коэффициента полезного действия.
Полученные гидродинамические нагрузки в дальней-шем были использованы для расчета напряженно-деформированного состояния деталей насоса.

a	б

Рис. 2. Конечно-элементные модели:
а - деталей насоса; б - внутренних полостей

В качестве примера, на рис. 3 показаны результаты расчета результирующих силы и момента гидродинамиче-ских сил, действующих на ведущий вал, при одном из ис-следуемых режимов работы насоса.

а	б	в

Рис. 3. Результаты гидродинамического расчета:
а - проекции результирующей гидравлических сил, действующих на ведущий вал;
б - проекции результирующего момента гидравлических сил, действующих на ведущий вал;
в - затраченная мощность

На рис. 4,а показаны поля давления и скорости в сечении внутренних полостей насоса плоскостью симметрии, прохо-дящей через ось патрубков в последовательные моменты времени, соответствующие углам поворота ведущего вала от 189 до 270 градусов. Цветовая шкала давлений проградуирована в МПа. Результаты гидродинамического расчета позволили рассчитать производительность и коэффициент полезного действия насоса при различных режимах его работы. Расчетные значения этих характеристик согласуются со значениями, определенными по результатам стендовых испытаний.

Расчет напряженно-деформированного состояния деталей насоса выполнен с использование программы LS-DYNA. На рис. 4,б и в показаны поля давления и скорости, а также распределение приведенных по Мизесу напряжений в деталях насоса и по поверхности контактной поверхности ведущего вала. Цветовая шкала давлений проградуирована в Па.

а	б	в

Рис. 4. Результаты моделирования:
а -поля давления и скорости; б - распределение приведенных по Мизесу напряжений в деталях насоса;
в - распределение приведенных по Мизесу напряжений на контактных поверхностях ведущего вала