Вивчення процесів кавітації та зношування робочих коліс гідромашин за допомогою рішень ANSYS
Михайло Бубнов К.т.н., директор з розвитку бізнесу в ЦФО ДК «ПЛМ Урал» - «Деклам-Урал», спеціаліст технічної підтримки Леонід Тищенко К.т.н., Московський державний Технічний університет ім. н.е. Баумана Артем Ковальов К.т.н., Московський державний технічний університет ім. н.е. Баумана
Вимоги щодо надійності до сучасних гідравлічних машин постійно підвищуються, оскільки зростають їх потужність та продуктивність, а також ресурс. Для таких відповідальних деталей, що працюють в умовах гідродинамічного навантаження, як насосні агрегати, рушійнорульові колонки суден та ін. (рис. 1), як правило, не передбачено резервування, тому проблема оцінки надійності виходить на перший план. Однією з причин виходу з експлуатації цих агрегатів є кавітаційний знос (рис. 2).
Комп'ютерне моделювання за допомогою продуктів ANSYS (CFX, LSDYNA, NCode Design Life) дозволяє оцінювати фізичну картину всіх стадій кавітаційного зношування - формування вогнищ кавітації та мікрогідроструму (CFX), високошвидкісного зіткнення гідроструму з поверхнею деталі гідромашини (LSDY, цієї поверхні в результаті множинних ударів мікрогідроструму (NCode Design Life).
Технологічна схема гідроабразивного різання представлена на рис. 1.
Для забезпечення заданої надійності гідромашин спеціалістами МДТУ ім. н.е. Баумана за підтримки ДК «ПЛМ Урал» - «ДелкамУрал» (філія в ЦФО, м. Зеленоград) було виконано наскрізне моделювання процесу формування кавітаційної мікрогідроструї та її взаємодії з робочою поверхнею відповідальної деталі гідромашини, виконаної з різних конструкційних матеріалів. Блок схема моделювання представлена на рис. 3.
Мал. 1. Типові конструкції гідромашин: а - конструкція відцентрового насоса з робочим колесом; б - лопаті гідротурбіни; в — гребні гвинти судна
Початкові параметри мікрогідроструї оцінювалися в програмі Matlab за допомогою моделі схлопування кавітаційної бульбашки Релея - Плессета та уточнень, отриманих за енергетичним критерієм. Авторами роботи була реалізована власна програма динаміки бульбашки при кавітації, хоча для оцінки початкових параметрів при кавітації цілком застосовні ANSYS CFX та Fluent. Вирішувалась система співвідношень у звичайних похідних; результати моделювання показали, що швидкість мікрогідроструї становить 356 м/с, діаметр – 0,52 мм, довжина – 7,2 мм.
Ці дані використовувалися для моделювання в програмі LSDYNA процесу зіткнення такої мікрогідроструї з різними конструкційними матеріалами. В якості мішені використовувалася пластина довжиною 0,45 м, шириною 0,45 м та товщиною 0,01 м.
Мал. 2. Кавітаційне зношування гідромашин
Мал. 3. Блок-схема математичної моделі розрахунку зносу кавітаційного зносу
Розрахунок виконувався на лагранжевоейлерових сітках (ALE) розмірністю 1506890 і 979317 елементів (об'ємних восьмивузлових), побудованих у препроцесорі Prep7 ANSYS Mechanical APDL 14.5 за допомогою вирішувача LSDYNA 3D v.971 R6.
Розподіл тиску при зіткненні для випадків нормального зіткнення і зіткнення під кутом представлено на рис. 4а,б. Дані амплітуди навантаження для різних матеріалів наведені в таблиці. Зміна максимального тиску на контактній поверхні різних матеріалів представлено на рис. 5.
В результаті моделювання отримано, що при швидкості мікрогідроструї U = 356м/с і вугіллі зіткнення в 90° у всіх матеріалах, що розглядаються, значення еквівалентних напруг по Мізесу (див. таблицю) перевищують або зіставні з межею плинності (динамічною). У деталі з'являється область пластичного деформування, внаслідок чого виникає ймовірність практично миттєвого локального руйнування матеріалу у місці контакту з утворенням ерозійної лунки на поверхні деталі за один акт взаємодії з мікрогідроструєю.
Мал. 4. Фізична картина взаємодії струменя з мішенню в нормаль (а) та під кутом (б)
При швидкості мікрогідроструї U = 356 м/с і вугіллі атаки в 30° для всіх матеріалів область пластичного деформування не простежується (піки еквівалентних напруг по Мізесу не перевищують меж плинності (динамічних)). В результаті цього поверхня матеріалу деталі руйнується під дією циклічного впливу мікрогідроструї, що свідчить про втомний механізм руйнування матеріалів, що розглядаються. При цьому тривалість одного удару становила близько 20 мкс.
Підсумкові значення (максимальні) оцінки напружено-деформованого стану різних матеріалів мішені