Моделирование напорных элементов электромеханических перекачивающих устройств в системе T-FLEX CAD

Оксана Приходченко
Старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения», зам. декана факультета экономики и технологий Института новых информационных технологий (ФЭТ ИНИТ), ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
Алексей Просолович
Доцент кафедры «Технология машиностроения», директор Центра дополнительного профессионального образования Института компьютерного проектирования машиностроительных технологий и оборудования (ИКПМТО), ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
Иван Приходченко
Студент 4-го курса механико-машиностроительного факультета, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (СПбГПУ)

Одной из наиболее важных задач модернизации и развития промышленного комплекса России является ресурсо­ и энергосбережение и сокращение потерь в таких энергоемких областях, как транспортировка вязких жидкостей, отопление и горячее водоснабжение. В первую очередь это затрагивает предприятия нефтедобывающего и перерабатывающего комплексов, транспортные системы для перекачивания нефтепродуктов по магистральным нефтепроводам и перевозки железнодорожным транспортом, элементы подачи и подогрева топлива, электроотопительные системы для удаленных от централизованных источников тепловой энергии автономных объектов, в том числе автомобильный, авиационный, морской и речной транспорт.

Актуальность этих вопросов подтверждается выбором в качестве приоритетных таких направлений развития науки и техники, как энергосбережение и энергосберегающие технологии и создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, обеспечивающих повышение эффективности генерирования, передачи и использования тепловой и электрической энергии.

Для комплексного решения этой задачи недостаточно усовершенствования существующих систем — необходимо создание новых видов энергетических устройств, обеспечивающих возможность экономичного и точного поддержания заданных эксплуатационных показателей и отвечающих современным требованиям электробезопасности, надежности, технологичности и экологичности.

Примерами такого оборудования могут служить управляемые электротехнические устройства для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя, обеспечивающие повышение эффективности производства и снижение себестоимости конечной продукции. Их практическая реализация связана с разработкой и созданием электротехнических перекачивающих устройств на основе теплогенерирующих электромеханических преобразователей энергии (ТЭМП), являющихся логическим развитием теплогенерирующих устройств трансформаторного типа [1].

Основными достоинствами ТЭМП являются:

• существенное улучшение технико­экономических показателей за счет совмещения в одном устройстве функций приводного, передаточного и исполнительного механизмов;
• возможность самого точного регулирования мощности электронагрева непосредственно в месте потребления (от нескольких ватт до сотен киловатт) и выходных характеристик транспортных систем;
• повышенный коэффициент теплоотдачи и теплопроизводительность.

Кроме того, системы, использующие ТЭМП, характеризуются экологической чистотой, безопасностью, относительно низкими капитальными затратами, отсутствием необходимости использования протяженных тепломагистралей (а следовательно, низкими теплопотерями), мобильностью и т.д.

Один из возможных вариантов конструктивного исполнения ТЭМП приведен на рис. 1.

Рис. 1. Схема ТЭМП: 1 — наружный кожух; 2 — магнитопровод; 3 — зазор; 4 — неподвижная вторичная обмотка; 5 — вращающаяся вторичная обмотка; 6 — напорные элементы; 7 — осевые каналы; 8 — входной патрубок; 9 — выходной патрубок; 10 — капсула; 11 — остов; 12 — вращающийся ферромагнитный элемент

Анализ принципа действия ТЭМП показывает [2], что в его основе лежит электромагнитное преобразование электрической энергии в механическую и тепловую, что позволяет при проектировании использовать традиционные методики, широко применяемые в электромашиностроении [3, 4].

Однако такой подход дает только приблизительные результаты и не позволяет выполнить моделирование напорных элементов (НЭ) ТЭМП, поскольку ориентирован на классические электромеханические преобразователи. Для проектирования НЭ возможно применение методик, используемых при разработке элементов гребных энергетических установок, компрессоров, вентиляторов и т.д., подробно изложенных в специальной литературе [5]. В то же время их анализ указывает на отсутствие универсальной расчетной базы и в основном связан с использованием результатов натурного моделирования и критериальных соотношений. Более того, ввиду сложности проектирования отмеченных элементов некоторые авторы предлагают использовать методы электромагнитной аналогии [6], что также существенно снижает точность полученных результатов.

Именно поэтому наряду с применением накопленного опыта физического, математического и численного моделирования классических электромеханических преобразователей, теоретических и практических разработок в области электромеханики, механики, теплотехники, гидравлики, электромашиностроения необходимо привлечение систем автоматизированного проектирования (CAD/CAE­систем), что позволит создать научно обоснованную методику проектирования таких устройств при одновременном учете электромагнитных, тепловых и механических факторов на температуру, производительность и давление преобразователя.

Решение рассматриваемой задачи включает следующие этапы:

1. создание геометрической модели ТЭМП с использованием CAD­системы;
2. создание расчетной модели ТЭМП и выполнение численного анализа электромагнитных, гидравлических и тепловых процессов с применением CAE­системы;
3. оптимизация конструкции ТЭМП;
4. разработка технологии изготовления ТЭМП с использованием CAPP/CAM­систем.

На первом этапе при поисковом проектировании особенно эффективны параметрические системы моделирования. Они позволяют формализовать интересующие разработчика параметры изделия и получить различные конструктивные варианты устройства. Среди САПР мощными параметрическими возможностями выделяется отечественная система автоматизированного проектирования T­FLEX CAD (разработчик — компания «Топ Системы», г.Москва). Поэтому именно она была выбрана для геометрического моделирования ТЭМП. Результатом проектирования на первом этапе является сборочная параметрическая модель ТЭМП, созданная в системе T­FLEX CAD, а также подготовка файла нейтрального формата для передачи геометрии на этап 2.

На втором этапе для каждого исследуемого варианта конструкции должна быть создана расчетная модель и проведен анализ гидродинамических процессов в ТЭМП. Для расчета гидродинамических процессов была выбрана CAE­система FlowSimulation. «Из системы T­FLEX CAD подготовленная геометрическая модель была передана в среду инженерного анализа посредством операций экспорта/импорта». Результатом проектирования на этапе 2 является поле скоростей рабочей среды для исследуемых вариантов расчетной модели ТЭМП.

Поскольку полученные на втором этапе результаты моделирования гидродинамических процессов в ТЭМП могут не удовлетворять требуемым, на третьем этапе они должны быть проанализированы в соответствии с заданными критериями и должна быть проведена оптимизация путем последовательного изменения параметров геометрической модели и повторных расчетов. Таким образом, реализуется итерационная процедура проектирования на основе параметрической геометрической модели ТЭМП, созданной в системе T­FLEX CAD.

При получении оптимальных результатов проектирования конструкции ТЭМП возможен переход к четвертому этапу — разработке технологии изготовления и процессам производства ТЭМП и его элементов с использованием CAPP/CAM­систем — конкретно с привлечением таких модулей интегрированного комплекса T­FLEX, как T­FLEX Технология и T­FLEX ЧПУ. Модуль T­FLEX Технология автоматизирует процесс технологической подготовки производства ТЭМП и, обладая гибкими средствами разработки технологических проектов, позволяет создать качественную технологическую документацию как на отдельные детали ТЭМП, так и сборочного технологического процесса в целом на изделие. Модуль T­FLEX ЧПУ дает возможность вести разработку управляющих программ для станков с ЧПУ по данным 3D­моделей элементов ТЭМП. T­FLEX ЧПУ является встраиваемым модулем для САПР T­FLEX CAD и функционирует исключительно совместно с ней. Таким образом, получается полноценное CAD/CAM­решение. Данный подход обеспечивает полную ассоциативность конструкторско­технологических данных, поскольку однажды созданная траектория обработки будет автоматически перестраиваться после изменения геометрии детали.

Рассмотрим реализацию этапа 1. Сборочная геометрическая модель ТЭМП создается в системе T­FLEX CAD, имеющей возможности для быстрого и качественного моделирования с применением технологии управления параметрическими сборочными единицами. Параметризация организует топологию модели, благодаря чему модель становится управляемой. Любое изменение параметров приводит к обновлению сборки и связанных деталей. Метод сборки «снизу вверх», используемый при моделировании ТЭМП, позволяет последовательно собрать имеющиеся детали в файл сборки, осуществляя параметрические привязки деталей друг к другу (рис. 2).

Рис. 2. Сборочная модель ТЭМП

Важнейшими элементами ТЭМП, определяющими его технико­экономические характеристики, являются НЭ (напорные элементы — см. рис. 1, поз. 6), поэтому в качестве параметров модели были выбраны: количество напорных элементов n и угол их установки α относительно продольной оси (рис. 3).

Рис. 3. Расположение напорных элементов

Параметрическая модель позволяет гибко варьировать параметры n и α, получать форму НЭ и различные конструктивные варианты трехмерных моделей ТЭМП.

Напорный элемент имеет форму пластины, которая располагается под углом α к продольной оси (см. рис. 3). Известно, что плоскость сечения, лежащая под углом к оси цилиндра, пересекает его по эллипсу. Следовательно, одна из сторон напорного элемента представляет собой часть эллипса, точную геометрию которого сложно определить аналитически, но это легко реализуется средствами T­FLEX CAD (рис. 4).

Рис. 4. Форма напорного элемента

Результаты моделирования напорных элементов при изменении их количества n и угла установки α

Варианты геометрии НЭ, полученных при моделировании, представлены в таблице.

Анализ полученных результатов позволяет сделать выводы:

• форма напорного элемента зависит от угла установки. При увеличении угла установки α наблюдается плавный переход формы НЭ от правильной прямоугольной к эллипсообразной;
• при увеличении числа НЭ существенного изменения их формы не наблюдается;
• полученные результаты позволяют выполнить моделирование тепловых и гидродинамических процессов в ТЭМП с использованием CAE­систем (этап 2), выбрать оптимальный угол установки и количества НЭ, получить картину поля скоростей рабочей среды (рис. 5), определить коэффициент теплоотдачи с рабочей поверхности нагревательного элемента с целью получения требуемых технико­экономических показателей устройства. Параметрическая модель ТЭМП позволит, при необходимости, выполнить несколько расчетных итераций и определить оптимальную конструкцию устройства.  

Рис. 5. Гидродинамический расчет

Список использованных источников

1. Кузьмин В.М., Сериков А.В. Разработка и исследование трансформаторов для установок электроводонагрева // Электротехника. 2001. № 7. С. 45­51.
2. Приходченко О.В. Математическое моделирование и анализ электромагнитных и тепловых процессов в электромеханических теплогенерирующих преобразователях // Науки о природе и технике. 2011. № 3. С. 27­37. (Уч. записки Комсомольского­на­Амуре государственного технического университета).
3. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин: Учеб. пос. для вузов. М.: Энергия, 1980. 496 с.
4. Гольберг О.Д. Проектирование электрических машин: Учеб. для втузов / Под ред. О.Д. Гольберга. М: Высш. шк., 1984. 431 с.: ил.
5. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1977. 288 с.
6. Костышин В.С. Моделирование режимов центробежных насосов на основе электрогидравлической аналогии. Иваново­Франковск: ИФГТУНГ, 2000. 163 с.

САПР и графика 2`2012