Регистрация / Вход
Прислать материал

Повышение энергоэффективности, надежности и долговечности гидравлического оборудования локальных Smart-систем водоснабжения

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
системы водоснабжения, энергоэффективные насосы, гидравлические машины, гидродинамика, геометрия проточной части, смачиваемость, рабочая зона насоса, расчетные методы

Цель проекта:
Создание научно-технического задела в области разработки энергоэффективного оборудования нового поколения для современных гидравлических систем, использующих Smart-технологии. Развитие новых подходов к проектированию элементов проточной части центробежных насосов с расширенной на 15…20% рабочей зоной для эффективной работы в условиях локальных Smart-систем водоснабжения на существенно переменных режимах.

Основные планируемые результаты проекта:
 анализ состояния проблемы расширения рабочей зоны центробежных насосов для локальных Smart-систем водоснабжения;
 отчет о патентных исследованиях;
 обоснование выбора направления исследований геометрии проточной части центробежных насосов;
 результаты расчетно-теоретических исследований влияния геометрии проточной части центробежных насосов на величину и положение их рабочей зоны;
 методические рекомендации по расчету энергоэффективных центробежных насосов для локальных Smart-систем водоснабжения;
 эскизная техническая документация на экспериментальный стенд для исследований характеристик макетов насосов;
 эскизная техническая документация на разработанные для проведения исследований макеты насосов;
 планы и методики экспериментальных исследований;
 протоколы выполненных экспериментов;
 обобщение и оценка результатов выполненных исследований;
 заявки на получение правоохранных документов объектов интеллектуальной собственности, использование которых обеспечит расширение рабочей зоны центробежных насосов для локальных Smart-систем водоснабжения;
 новые научно обоснованные технические требования к энергоэффективным насосам для локальных Smart-систем водоснабжения.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основными научно-техническими задачами проекта являются:
- разработка способов снижения энергопотребления насосами Smart-систем водоснабжения на основе модификации геометрии проточной части насосов, обеспечивающей значительное расширение их рабочей зоны;
- реализация новых подходов к расчету геометрии проточной части энергоэффективных центробежных насосов;
- разработка методических рекомендаций по расчету энергоэффективных центробежных насосов для локальных Smart-систем водоснабжения;
- разработка новых научно обоснованных технических требований к энергоэффективным насосам для локальных Smart-систем водоснабжения.
В виду того, что потенциал повышения КПД центробежных насосов (потенциал снижения энергопотребления) за счет совершенствования их конструкции классическими путями сегодня составляет лишь 1…2%, т.е. практически полностью исчерпан, в проекте используется принципиально новый нетрадиционный подход к синтезу геометрии проточной части насосов. В частности, решить задачу расширения рабочей зоны центробежного насоса можно, реализуя и развивая способ, основанный на применении гетерогенной лопастной решетки рабочего колеса.
Нетрадиционность предлагаемого подхода к решению основных задач проекта подразумевает отсутствие достаточных знаний для эффективного целенаправленного проектирования более совершенных насосов.
В связи с этим главным направлением исследований в инициируемом проекте является получение новых знаний о параметрическом влиянии геометрии проточной части центробежных насосов на их рабочую зону в условиях существенно переменных режимов работы, поиск способов снижения вероятности возникновения кавитации.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Применимость результатов работы не ограничивается локальными Smart-системами водоснабжения и может быть распространена на любые гидравлические системы с центробежными насосами при условии проведения дополнительных исследований, связанных, прежде всего с возможным изменением свойств перекачиваемой среды, отличающейся от воды своими физико-химическими свойствами (прежде всего вязкостью).
Прогнозируемые социально-экономические эффекты от использования результатов исследования:
а) создание принципиально новой продукции (насосов для систем водоснабжения со сниженным энергопотреблением);
б) улучшение потребительских свойств существующей продукции (в отдельных случаях возможна модернизация существующих насосов путем замены только рабочего колеса на новое).

Текущие результаты проекта:
Выполнено НИУ «МЭИ»:
1) Выполнено расчетно-теоретическое обоснование возможности и целесообразности использования выбранных перспективных направлений модификации геометрии проточной части центробежных насосов:
снижения гидравлического сопротивления оборудования систем, в частности трубопроводов;
расширения эффективной рабочей зоны насоса (модификация геометрии поверхности на макро уровне);
снижения трения перекачиваемой жидкости о рабочие поверхности насоса и предотвращение процессов коррозии и образования отложений (модификация геометрии поверхности на микро и нано уровнях);
снижения вихревых потерь в насосе.
2) Проведены расчетные исследования влияния модификаций геометрии и степени смачиваемости проточной части насосов на их рабочую зону. Установлено, что использование гетерогенной лопастной системы обеспечивает расширение эффективной рабочей зоны насоса с 91,2-115% до 60-115%, т.е. её расширение на 28,8% при заданном в п.1 ТЗ значениях 15…20%.
4) Разработаны параметрические вариации 3D геометрии лопастной системы и проведены экспериментальных исследования методом вычислительного эксперимента посредством пакетов ANSYS и Flow Vision, подтвердившие результаты теоретических исследований;
5) Проведение экспериментальных многопараметрических исследований влияния характеристик потока, степени смачиваемости проточной части и рельефа ввода насоса на его КПД и кавитационный запас.
6) Созданы экспериментальные образцы трубопроводов с гидрофобизированной поверхностью;
7) Проведены экспериментальные многопараметрические исследования влияния характеристик потока, степени смачиваемости проточной части и ее рельефа на гидравлическое сопротивление и пропускную способность цилиндрических трубопроводах 3-х диаметров, которые показали:
снижение гидравлического сопротивления в трубах монотонно зависит от скорости потока, уменьшаясь при уменьшении скорости;
для Ду25 снижение гидравлического сопротивления в среднем составляет 27,2%;
для Ду50 снижение гидравлического сопротивления в среднем составляет 26,7%;
для Ду80 снижение гидравлического сопротивления в среднем составляет 31%.
Выполнено иностранным партнером:
Проведен анализ и применение гидрофобных материалов в конструкции гидравлических машин;
Проведена теоретическая разработка новых принципов расчета гидравлических машин;
Проведены расчетно-теоретические исследования новых принципов взаимодействия твердых тел с жидкостью на примере элементов гидравлических машин: крыльчатки, направляющего аппарата и лабиринтных уплотнений;
Проведены расчетно-теоретические исследования вихревых структур и их разложения;
Проведено математическое моделирование турбулентного многофазного потока с учетом влияния содержания воздуха, кавитации;
Разработан необычный гидравлический профиль – неравномерной лопастной системы;
Разработаны нелинейные математические модели пульсаций давления в гидравлических системах на основе метода Лакса-Вендрофа;
Проведена модификация коммерческого CFD кода ANSYS для моделирования гидрофобной поверхности;
Проведены экспериментальные исследования вихревых структур за вихревым генератором с помощью LDV (лазерного доплеровского измерителя скорости), PIV-метода (метода цифровой трассерной визуализации течений), томографии и разработка способов подавления пульсаций давления на выходе гидравлических машин.
Проведены экспериментальные исследования кавитации и суперкавитации в вихревых потоках.
Проведена экспериментальная верификация модификаций CFD кода по характеристикам производительности гидравлических машин.
Проведена экспериментальная верификация математической модели пульсаций давления на выходе гидравлических машин.