Details

Данная работа посвящена определению оптимальных расчётных параметров математической модели центробежного насоса для повышения эффективности его эксплуатации и надёжности работы в условиях возможных кавитационных и гидроабразивных воздействий с использованием программного обеспечения для инженерного анализа Ansys и инструментов трехмерного моделирования CAD-системы SolidWorks. Предмет исследования – гидродинамические, кавитационные, гидроабразивные и прочностные расчёты консольного центробежного насоса. Цель работы – сформировать и верифицировать математическую модель насоса, позволяющую точно прогнозировать его рабочие характеристики и оценивать прочностные параметры элементов конструкции. Методология исследования базируется на применении численных методов в среде ANSYS. В ходе работы была построена математическая модель насоса в модуле Ansys CFX‑Pre, выполнен стационарный гидродинамический расчёт течения жидкости, проведён анализ кавитационных явлений, смоделировано движение потока с включением твёрдых частиц, осуществлён статический прочностной расчёт рабочего колеса с построением эпюр напряжений и перемещений в модуле Ansys Mechanical. В результате исследования было установлено значение критического кавитационного запаса при номинальном режиме работы насоса, выявлены особенности влияния твёрдых фракций на гидродинамику потока и интенсивность износа проточной части, определены зоны максимальных напряжений в конструкции рабочего колеса. Область применения полученных результатов включает проектирование новых и модернизацию существующих пожарных погружных насосов, оптимизацию режимов их эксплуатации, а также разработку мер по снижению риска кавитационных повреждений и гидроабразивного износа. Вывод: созданная математическая модель демонстрирует высокую точность прогнозирования рабочих параметров насоса и оценки ресурса его ключевых компонентов. Внедрение предложенной методики способствует повышению надёжности и долговечности насосного оборудования в сложных условиях эксплуатации.

This work is devoted to determining the optimal design parameters of a mathematical model of a centrifugal pump to increase its operational efficiency and reliability in conditions of possible cavitation and waterjet impacts using the Ansys engineering analysis software and the 3D modeling tools of the SolidWorks CAD system. The subject of the research is hydrodynamic, cavitation, waterjet and strength calculations of a cantilever centrifugal pump. The purpose of the work is to form and verify a mathematical model of the pump, which makes it possible to accurately predict its performance characteristics and evaluate the strength parameters of structural elements. The research methodology is based on the application of numerical methods in the ANSYS environment. In the course of the work, a mathematical model of the pump was constructed in the Ansys CFX‑Pre module, a stationary hydrodynamic calculation of liquid flow was performed, cavitation phenomena were analyzed, flow movement with the inclusion of solid particles was modeled, and a static strength calculation of the impeller was performed with the construction of stress and displacement diagrams in the Ansys Mechanical module. As a result of the study, the value of the critical cavitation reserve was established at the nominal operating mode of the pump, the peculiarities of the influence of solid fractions on the hydrodynamics of the flow and the wear rate of the flow part were revealed, and the zones of maximum stresses in the impeller design were determined. The scope of application of the results obtained includes the design of new and modernization of existing fire submersible pumps, optimization of their operating modes, as well as the development of measures to reduce the risk of cavitation damage and waterjet wear. Conclusion: the created mathematical model demonstrates high accuracy in predicting the operating parameters of the pump and estimating the resource of its key components. The implementation of the proposed methodology helps to increase the reliability and durability of pumping equipment in difficult operating conditions.