Оптимизация проточной части трансформаторного масляного насоса: расчет и опыт внедрения

ATF GROUP уже давно и прочно зарекомендовала себя как индустриальный партнер. Обе производственные площадки, заводы Автотрансформатор и Системы охлаждения, заключили с ведущими ВУЗами страны соглашения о сотрудничестве и реализовывают совместные проекты.

Цель группы компаний АТФ связать учебные заведения, производство и эксплуатацию, дать научному сообществу возможность развить свои компетенции в реальных проектах, а заводам получать новые знания, проводить исследования, развивая свои продуктовые направления.

В рамках одного из таких проектов завод Системы охлаждения обратился в ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» для проектирования проточных частей трансформаторных насосов, которые позволили бы оптимизировать технические характеристики аналогов, используемых на рынке.

Журавков А.В., инженер Высшей школы энергетического машиностроения ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Рыбин Д.А., директор ООО «Системы охлаждения»

Трансформаторный насос — это устройство, предназначенное для обеспечения циркуляции трансформаторного масла в силовых трансформаторах. Основная задача такого насоса — обеспечение эффективного охлаждения и изоляции трансформатора, что необходимо для его стабильной и безопасной работы.

Трансформаторное масло обладает диэлектрическими и смазывающими свойствами, поэтому внутренняя зона электродвигателя легко охлаждается, и подшипники качения смазываются перекачиваемой средой. Для этой цели в напорном патрубке насоса выполнены отверстия для непрерывной циркуляции масла из зоны высокого давления в зону всасывания. Масло омывает опорные подшипники насоса, проходит через зазор между ротором и статором электродвигателя, а также между корпусом и статором электродвигателя снимая выделяющееся тепло, и через осевое отверстие в вале насоса возвращается в зону всасывание. Но данная особенность охлаждения влечёт за собой дополнительные потери на дисковое трение ротора насоса о жидкости, так же увеличивается перетечка масла из напорной части насоса во всасывающую.

Трансформаторные насосы, представленные на рынке, зачастую спроектированы таким образом, чтобы максимально удешевить и упростить отливку рабочих колёс, что приводит к неоптимальной форме проточной части, а следовательно, к падению гидравлического КПД насоса. Но современные методы литья, такие как литье по выплавляемым моделям (ЛВМ), позволяют отливать рабочие колеса более сложных форм без существенного увеличения стоимости.

По заказу завода Системы охлаждения произвести оптимизацию проточной части насоса МТ 100/15 с целью повышения уровня КПД трансформаторного насоса. Номинальные параметры насоса приведены в таблице 1.

В ходе оптимизации проточной части изменялась только геометрия рабочего колеса и спирального отвода, с сохранением габаритов насоса. При этом зазоры в переднем и заднем уплотнении, отборы давления для охлаждения двигателя, а также отверстия для разгрузки осевой силы оставались неизменными, по сравнению с насосом аналогом. Спроектированная проточная часть показана на рисунке 1.

После проектирования рабочего колеса и спирального отвода насоса ООО «Системы охлаждения» был проведён численный расчёт течения жидкости в проточной части насоса. Расчёт проводился в полноразмерной постановке с учётом передней и задней пазух, зазора между статором и ротором электродвигателя, зазором между статором электродвигателя и корпусом насоса, а также разгрузочных отверстий. Расчёт проводился в нестационарной постановке в программе Ansys CFX с использованием искусственного интеллекта.

Результаты гидродинамического расчёта (рисунок 2) показали, что прирост по КПД насоса завода Системы охлаждения, относительно насоса аналога, составил Δη = 30% (КПД спроектированной проточной части на номинальной подаче η = 73%). Гидравлический КПД спроектированной проточной части η_г = 92%, что свидетельствует о высоком качестве проточной части, уровень КПД сопоставим с зарубежными аналогами подобной быстроходности (коэффициент быстроходности n_s = 193).

Значение напора по результатам гидродинамического расчёта (H_рас = 17 м) несколько выше, чем напор по техническому заданию (H_тз = 15 м). Запас по напору необходим – при изготовлении проточной части, шероховатость элементов может отличаться от расчётной, что приводит к увеличению гидравлических потерь, а следовательно, к понижению напора.

Была спроектирована проточная часть трансформаторного насоса МТ 100/15 производства ООО «Системы охлаждения», КПД которой составил η = 73%, что на 30% выше, чем у насоса аналога. Данный прирост по КПД позволит значительно уменьшить затраты электроэнергии при эксплуатации данного насоса и повысит его надежность.