Вопрос №1.

Совместная работа насоса в системе подачи.

Регулирование систем подачи по расходу.

В системе питания ЖРД может встретиться последовательное соединение насосов. Бустерный насос, установленный непосредственно у баков, и основной насос представляют собой два последовательно установленных насоса. Последовательное соединение насосов может найти применение в двигателях с большими давлениями в камере сгорания.

При охлаждении камеры сгорания компонентом топлива может оказаться нецелесообразным подавать компонент в рубашку охлаждения под давлением, равным давлению в камере. Применив два последовательно соединенных насоса, можно избежать высоких давлений в рубашке охлаждения.

В ряде случаев газогенератор турбины, работающий на основных компонентах, целесообразней питать от отдельных насосов, в которые будет последовательно поступать часть компонентов от основных насосов. Наконец, последовательное и параллельное соединения насосов могут встретиться на стендах при использовании готовых насосных агрегатов для работы в общей сети.

Для того, чтобы иметь представление о возможных режимах в системе, имеющей последовательное или параллельное соединение насосов, необходимо рассматривать поведение характеристик H=f(Q) при их совместно работе. При существенно различных характеристиках насосов может получиться, что соединение насосов не даст увеличение напора или расхода. Из сказанного следует, что решения вопроса о совместной работе двух или более насосов, имеющих различные диапазоны напоров и расходов, необходимо внимательно рассмотреть их совместную характеристику и определить оптимальные режимы работы системы.

Регулирование насоса осуществляется дросселированием напорной магистрали. Пусть расход на новом режиме будет равен Q₂. Потребный напор Н_с2, который должен обеспечить насос, в этом случае будет определяться потребным напором системы при расходе Q₂ и добавочным сопротивлением дросселя L_др: Н_с2=Н_с2^'+L_др.

Новая характеристика системы, с учетом сопротивления дросселя, пройдет круче, и новый установившийся режим будет иметь место при меньшем значении расхода.

Введение сопротивления дросселя потребует большего напора насоса для заданного меньшего расхода и, тем самым большей мощности. Насос работает с меньшим коэффициентом полезного действия. Способ широко применяется при настройке двигателя, дроссельный кран также используется в системах регулирования для поддержания в камере сгорания заданных величин давления и соотношения компонентов.

Возможен и другой способ перевода системы на новый расход, который заключается в том, что часть жидкости, прошедшей через насос, перезапускается обратно в насос и не попадает в систему. И в этом случае затрачивается лишняя мощность, т. к. расход через насос возрастает и рабочая точка смещается в область меньших КПД.

Под регулированием турбины понимают воздействие на ее характеристику с целью изменения частоты вращения и мощности. Возможны несколько способов: 1) Сопловое регулирование предусматривает изменение количества рабочего тела, проходящего через турбину, путем изменения степени парциальности. Конструктивно сложен. 2) Регулирование турбины изменением параметров газа на входе; регулирование расхода газа через турбину при постоянной температуре, осуществляется с помощью дросселей, подводящих компоненты топлива к газогенератору; регулирование изменением температуры путем изменения соотношения компонента топлива с недостатком которого работает газогенератор. Расход изменяется дросселем. Изменение температуры ведет к изменению адиабатной работы изменяется частота вращения турбины.

Вопрос №3.

Кавитация в насосах. Формы гидродинамической кавитации в насосах. Срывные кавитационные характеристики насосов. Кавитационные режимы.

Кавитация  это процесс нарушения сплошности потока жидкости в зоне пониженного давления, заключающийся в образовании полостей, наполненных паром и выделившимся из жидкости газом.

Возникновение кавитации приводит к двум основным отрицательным последствиям для гидравлических машин:

1. к срыву режима работы машины, т. е. к резкому снижению основных выходных параметров  Н, Q, _н;

2. к эрозионному разрушению рабочего колеса машины  обычно при длительной работе на кавитационном режиме.

Универсальные кавитационные характеристики насоса строятся на основе экспериментальных срывных кавитационных характеристик, представляющих собой зависимости H=(p_вх) или Н=(h) при  и Q=const.

На срывной характеристике обычно можно отметить два характерных режима: первый  критический режим (р_вхIначало изменения напора Н и второй  критический режим (срывной) (р_вхII)  начало резкого падения напора Н или срыв режима насоса. Представляют интерес еще два характерных кавитационных режима. Один из них определяет начало возникновения кавитационных явлений у профилей лопаток рабочего колеса(р_вх.нач>р_вхI). Другой кавитационный режим, который возникает при р_вх.III>р_вхII, называют режимом запирания. Он характеризуется тем, что дальнейшее снижение входного давления невозможно без уменьшения расхода через насос. При этом давлении напор насоса может изменяться от точки А( начал о режима запирания) до точки III ( суперкавитационный режим)

Разрывы сплошности жидкости при гидродинамической кавитации могут иметь различные формы. При обтекании потоком жидкости с небольшими положительными углами атаки крыловых профилей с плавными обводами область пониженного давления в потоке создается вблизи передней части спинки профиля. При наличии в жидкости “кавитационных зародышей”, последние приобретают в этой области возможность роста путем путем испарения жидкости внутри них. Картина кавитации в этом случае характеризуется апериодическим появлением парогазовых пузырьков вдоль всей передней кромки профиля и замыканием их ниже по потоку вследствие повышения давления. Такой вид кавитации назван пузырьковой или перемещающейся.

Одним из наиболее характерных мест пониженного давления в потоке являются центральные части вихревых образований. Например, при течении жидкости около плохообтекаемых тел( диск поперек потока, шар, цилиндр, профиль при значительном угле атаки) в их кормовой части имеется зона пониженного давления, заполненная периодически отрывающимися от обтекаемого тела вихрями, в центре которых и возникают первые паровые полости. Наблюдаемая при этом картина кавитации( при периодически отрывающихся вихрях) характеризуется рядами последовательно расположенных парогазовых полостей, конденсирующихся на некотором расстоянии от тела, где давление возрастает. Такая форма кавитации называется вихревой.

Следующая форма кавитации  струйная или пленочная (присоединенная)  наблюдается при образовании паровой полости, связанной с обтекаемым телом.

Для струйной кавитации характерным является существование четкой, часто стационарной границы раздела фаз паржидкость. В шнекоцентробежных насосах применяются профили с заостренной входной кромкой при значительном угле атаки. В связи с отрывным обтеканием таких профилей пузырьковая форма кавитации в них не наблюдается.

Вопрос №5.

Кавитация в насосах. Условия бескавитационной работы. Параметры, определяющие антикавитационные свойства шнекоцентробежного насоса.

Кавитация  это процесс нарушения сплошности потока жидкости в зоне пониженного давления, заключающийся в образовании полостей, наполненных паром и выделившимся из жидкости газом.

Проблема обеспечения работы насосов без кавитационного срыва имеет решающее значение для ЖРД, так как кавитационные качества насоса определяют массу всей двигательной установки. Кавитационный срыв насосов при малых давлениях на входе (р_вх<р_срв) приводит к прекращению работы двигателя. Повышение давления на входе связано с увеличением массы, так как давление на входе обеспечивается давлением в баке летательного аппарата.

Условие работы насоса без кавитационного срыва может быть записано в виде

р_{вх } р_срв, (1)

и
ли

Д
ля насосной системы ЖРД давление р_вх определяется давлением в баках, инерционным и гравитационным напорами и величиной гидравлических сопротивлений входной магистрали:

Е
сли вообще нельзя допустить работу насоса при начавшейся кавитации (например, при опасности кавитационной эрозии в случае длительной работы турбонасосного агрегата), то имеет место выражение:

Подчеркнем, что для насоса режим начала кавитации р_кав характеристикой Н=(р_вх) практически не может быть выявлен.

П
ри проектировании двигательной установки всегда принимают, что располагаемое превышение давления больше необходимого на величину кавитационного запаса р_зап:

Введением запаса давления р_зап учитывается несовершенство способов определения необходимого превышения давления и отличие кавитационных свойств различных экземпляров одного и того же насоса.

Выражение (5) позволяет определить величину допускаемого кавитационного падения давления р_срв^ при заданном давлении в баке.

Антикавитационные свойства шнекоцентробежного насоса определяются четырьмя основными параметрами. Рассмотрим эти параметры.

1. Коэффициент кавитации _1срв.

В правильно рассчитанном шнекоцентробежном насосе его антикавитационные свойства определяются шнековым колесом. Коэффициент кавитации шнека (_1срв^) зависит от разрежения на лопатках шнека, которое зависит, в свою очередь, от формы профиля, угла лопаток _л, угла атаки i и густоты решетки b_л/t.

Э
ти параметры меняются по радиусу шнека (пространственная решетка), что оказывает влияние на величину_1срв. Для шнеков постоянного шага(s=const) с густотой решетки на наружном диаметре b_л/t>1 получена формула

где _л.п и i_псоответственно угол лопаток и угол атаки на наружном (периферийном) диаметре шнека;

Д
ля подобных шнеков величина _1срв=idem является критерием подобия.

Знаменатель правой части формулы (6) учитывает пространственность решетки шнека. Выражение (6) может быть использовано и для шнека переменного шага при изогнутости профиля на среднем диаметре _ср=(_2л_1л)_ср до 46.

1. Кавитационное падение давления р_1срв

Для определения р_1срв мы пользуемся ниже изложенной формулой:

В
ыражение (8) показывает, что насосы с геометрически подобными шнеками на кинематически подобных режимах имеют одинаковые отношенияр_1срв/u_п².

1. Кавитационное падение полного давления р_1срв^.

Антикавитационное совершенство насоса характеризуется величиной кавитационного падения полного давления р_1срв^. Чем меньше р_1срв^, тем меньшее давление в баке р_б необходимо обеспечить для бессрывной работы насоса.

З
апишем

где mкоэффициент неравномерности абсолютной скорости на входе в шнек; р_подв^потери в подводе насоса.

П
одставив в выражение (9) формулу для потерь в подводе; получим