Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установо (Венгерский Э.В., Морозов В.А., Усов Г.Л., 1982 - Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установок), страница 3

Весьма часто в магистралях превуалируют колебания, обусловленные инерционными характеристиками системы питания. И именно они создают предпосылки для образования двухфазного потока. В качестве иллюстрации сказанного рассмотрим изменение давления в системе питания с промежуточной емкостью (рис. !.5) [48]. При запуске двигателя 1 открывается пусковой клапан 2, и сначала процесс заполнения протекает так же, как и в предыдущем случае (период т~ — тз на рис. !.6.). Однако в силу различной инерционности жидкости в магистралях 3 и б в системе возникают низкочастотные колебания давления, период которых Та может на порядок превышать период акустических колебаний Ть а амплитуды изменения давлений могут создавать условия для пребывания жидкости при давлениях ниже равновесного. Гидравлические системы реальных двигательных установок представляют собой сложные гидравлические линии, по которым возмущения, возникающие при запуске, останове и изменении режимов работы двигателей, передаются на входы в другие, приводя к дополнительным динамическим воздействиям на последние.

Если вернуться даже к простой схеме (см. рис. !.3), то для двигателя ! очевидны два режима динамических воздействий. Во-первых, при работающем двигателе 1 запуск и выключение двигателя 15 вносят дополнительные возмущения на его режим работы. Во-вторых, при выключенном двигателе 1 запуск и выклю- чение двигателя 15 приводят к дополнительному воздействию на клапанный механизм двигателя 1, причем «тупиковый эффект» может приводить к существенному увеличению значений гидравлических ударов, г, т, Рис.

).5. Система питания ЖРД с промежуточной емкостью: 2 †Ж; 2 †пусков клапан; 3, б †магистра питания; З вЂ преобразовате Рис. ).6. Изменение давления в системе питания ЖРД с промежуточной ем- костью (преобразователь 4 на рис. ).5): т †вре открытии пускового клапана 2; те †вре подхода жидкости к двигателю. та †в. мя начала низкочастотных колебаний; Т, н Тг †перио колебаний, р, †исходн давление в системе фиксируемых преобразователем 11, по сравнению с исходным значением по преобразователю б.

При увеличении числа двигателей с различной цикличностью их выключения работа системы питания будет протекать в условиях практически непрерывных динамических воздействий. В связи с этим для многих двигательных установок задача точной оценки динамических характеристик систем питания становится одной из важнейших. Из-за специфики работы системы питания энергегических установок, а также из-за особенностей их геометрических и гидравлических характеристик механизм образования двухфазных потоков существенно отличается от широко освещенных в литературе механизмов кипения и кавитации.

Если при кипении и кавнтации предполагают преобладание в пузырьках паровой фазы при значительных градиентах возмущающих факторов (тепловых потоков, давлений) и малых временах протекания, порядок которых составляет !Π— ' с, то рассматриваемые нами процессы характеризуются преобладанием в потоке газовой фазы, на порядок ббльшилуи временами протекания процессов и неравновесиым нх харак. тером, обусловленным неустановившимся движением жидкости.

1ай РАСТВОРЕНИЕ ГАЗОВ В ЖИДКОСТИ Контакты газа и жидкости, будь то контакт свободной поверхности топя га в баке и газовой подушки илн движение пузырьков газа в объеме жидкост создают условия для процесса массообмена, растворения (асорбции) нли в! деления (десорбции) газа. Растворимость газа в жидкости подчиняется закону Генри, который уст навливает, что растворимость газа прямо пропорциональна парцнальному да данию газа над жидкостью: С =«рг, где С вЂ” равновесная концентрация газа; и — коэффициент растворимоп Генри; р, — парциальное давление газа. Коэффициент Генри определяется физико-химическими свойствами жидк гти и в диапазоне рассматриваемых давлений является функцией температур! У некоторых жидкостей, наприме( воды, процесс растворения газов сопр вождается выделением тепла, н растворимость газа в них с повышением те! пературы понижается.

Графики зависимости коэффициента Генри от темпер туры для различных газов и воды представлены на рис. !.7, 1.8, 1.9 [85). Существует, однако, ряд жидкостей органического происхождения, раста рение газов в которых сопровождается поглощением тепла. Растворимос газа в них с ростом температуры повышается. К таким жидкостям относят~ керосин, азотный тетраксид, несимметричный диметилгидразин, чистый этил вый спирт Графики зависимостей коэффициента Генри от температуры дг ряда таких жидкостей представлены на рис, !.1О, 1.11 [85).

В случае смеси газов растворимость каждого определяется его парцнал! ным давлением р» которое в соответствии с законом Дальтона можно опр делить так: М мТ р;=ру;=т! — —, Рч где фм т, — объемная и массовая доли 1-го газа в смеси; Гы — молекулярна масса ~'-го газа; М, !', Я, Т вЂ” масса, объем, температура, газовая постоянна смеси.

Рассмотрение этой зависимости дает следствие из закона Генри, показь аающее, что объем газа, растворяющегося при постоянной температуре в об' сме жидкости, не зависит от его парциального давления. Ш 10,'х~((~кап) ш.10', иг((м 'Па) ш 1а,~ха((мгла) 10 0070 10 ааи 0 а, 70 40 Ыайа а 70 ьа аа аа 8'а Рис. 1.7. Зависимость коэффициента Генри от температуры для системы уг.и кислый газ — вода (р=!,013. 1О' Па) Р ис.

1.8. Зависимость коэффициента Генри от температуры для систем! азот — вода (р = 1,013 . 10' П а) Рис 1.9. Зависимость коэффициента Генри от температуры для систсш углекислый гаэ — этиловый спирт (р=1,0!3. 10' Па) шф— а кг г папи ( и -50 -30 -И и И 30 5аС,'С 35 25 г,'С Рис 1 10. Зависимость растворимости азота от температуры (р= — 1,013. 1О' Па): г — в вескмметрвчком дкметилтвдразкке; 2 — в четырехокиск азота Рис. 1.11.

Зависимость растворимости воздуха от температуры в смеси этило- вого спирта (95То) с водой (59о) ( р=1,013 10' Па) Рис. 1 12. Зависимость коэффициента Генри от концентрации растворителя длч системы кислот — вода— этиловый спирт (85) (р= 1,013.10' Па, 1=20 С) шв И,'кб(Ы" 45 Смеси жидкости, особенно с противоположными тепловыми процессами при растворении газов, приводят к неоднозначности изменения коэффициента Генри по температуре (рис. 1 12 (85)).

Естественно, что закон Генри н все представленные зависимости подразумевают только равновесное состояние между жидкостью и газом. Процессы массообмеиа между жидкостью и газом в системе питания определяются как условиями хранения и течения жидкости, так и их физико-химическими 1 представлены физико-химические свойства некоторык 85). г5 55 и Л ра 53 ЪоуС свойствами. В табл. 1 жидкостей и газов [48, 1.3. ВЛИЯНИЕ СВОБОДНЫХ ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИИ В ЖИДКОСТИ НА КАВИТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ Р к — Ркр О с~„/2 еде р.к и с„, — статическое давление и скорость жидкости перед входом в насос; ркр — местное статическое давление в проточной части насоса, при 14 Наличие своболных пузырьков газа в трубопроводах систем питания ускоряет процесс возникновения кавитации в насосах н повышает статическое давление в зоне кавитации по сравнению с давлением насыщенных паров, так как кавитационные каверны прр этом заполнены пс только парами жидкости, но и газом.

В реальных условиях работы энергетических установок вообще трудно себе представить чисто паровую кавитацию. Олины из общих критериев оценки кавитационных свойств насосов является безразмерный параметр Ж С~ С~ СО СО л О ' Х 3 ОО л с а О О к й о ОО о с о ы о ОС л о л й о о О о С» С» О» с» с» «О С» с» С» С« С СО С« й С» « с- С» С» о с» Я,б *$ФМ ОО О «' СО С» Ф « О Я.:* '» с с» бс 1 Ы хх О н О О. о г о х !б М О О м О О с с« Ф «.

й М й М «С с'» О« с» С» «О СО О» СС СО СО«О СОСО«О У «О с» сс О« 1! х Ыо о «Р о о х о д 3, 1 О« «с«Ю 'О О» сО,»- х~ о с» М СО оТ котором наступает резкое нарушение структуры потока, разрыв сплошнш н другие характерные для навигация явления. ПРн чисто паРовой кавитацнн Рвр близко к давленню насыщенных па! жидкости. Чем меньше К, тем меньше разрежение в проточной части наст и тем совершеннее он в отношении антнкавитацнонных свойств.

Чаше всего для оценки кавнтационных свойств насоса используют коэфй' пнент быстроходности 5,52 ,'() Скр= да/4 кр где п — частота вращения насоса, об/мнн; /3 — объемный расход жндкос через насос, и'/с; бйкр — критический кавнтацнонный запас илн превышен мннпмального напора жидкости во всасывающем патрубке над упругосп насыщенных паров, м. Прн работе насоса на газожндкостной смеси [75) 3 Рвк.кр — Ри рв„ Дйкр = (1 + Ьвк) + (1 + Ьвк)З йжй 2К где р„ „ — давление на входе в насос, прн котором наступает кавитацноннг срыв; б,к=Я,/(гж — отношение объемных расходов газа н жидкости на вхо в насос (объемное газосодержанне); р, — давление насыщенного пара. Чем больше коэффициент быстроходности С„р, тем лучшими антнкавитацно нымн свойствами обладает насос.

Последние ухудшаются в случае прясутств~ а потоке на входе в насос газовых включений, С„р прн этом уменьшается. Если известно критическое число кавнтацни насоса Ккр прн работе чистой жидкости, то критическое давление на входе р р прн известных б„ с„может быть получено нз зависимости 2 рвх Рвх.кр = Ккрйж (1 + Ьвх) + Ркр ° 2 Лучшие резул~таты прн оценке влияния газовых включений на входе в н сос на его кавитационные свойства дает полученная для широкого класса в~ сокооборотных центробежных насосов эмпирическая зависимость [75[, котор; представлена на рнс. 1.13. Как вндно кз графика, даже кебольшое колнчест! свободного газа в жидкости значительно ухудшает антикавитацнонные сво ства лопастных насосов.