Диссертация (Методика расчёта пульсаций давления в шнекоцентробежном насосе жрд трехмерным акустико-вихревым методом)

СодержаниеВведение14Аналитический обзор проблемы численного моделирования пульсацийдавления в насосах101.1Гидродинамические источники вибрации и шума ЦБН ...................... 131.2Обзор современного состояния проблемы расчетного определенияпульсаций давления ........................................................................................... 232Построение методики расчета пульсаций давления2.131Расширение акустико-вихревого метода на трехмерную задачуопределения пульсаций давления в шнекоцентробежном насосе ................ 312.1.1Вывод акустико-вихревого уравнения .............................................

312.1.2Вывод источниковой функции ........................................................ 372.1.3Вывод конечно-разностного аналога акустико-вихревогоуравнения ......................................................................................................... 382.2Методика расчёта пульсаций давления в шнекоцентробежном насосетрехмерным акустико-вихревым методом ...................................................... 413Определение амплитуд псевдозвуковых и акустических колебаний и ихсравнение с экспериментальными данными испытаний шнекоцентробежногонасоса483.1Расчетная область, сетка и граничные условия.....................................

483.2Результаты численного моделирования вариантов отвода .................. 523.2.1Относительный расход-1.0 ................................................................ 523.2.2Относительный расход-0.8 ................................................................ 553.3Сравнительный анализ пульсаций давления в вариантахнаправляющего аппарата. ................................................................................. 5824Получение амплитуд акустических пульсаций давления на выходешнекоцентробежного насоса для натурных условий испытания двигателей 624.1Расчетная область, сетка и граничные условия.....................................

624.2Результаты численного моделирования ................................................. 694.2.1Оценка энергетических параметров насоса на сетке второгоуровня адаптации ............................................................................................ 744.2.2Генерация пульсаций давления на частоте следования рабочихлопаток .............................................................................................................

774.2.3Параметры вихревой моды и пульсаций давления ......................... 814.2.4Расчет амплитуды пульсаций давления ЧСЛ на выходе насосаакустико-вихревым методом .........................................................................

854.3Исследование влияния угла установки каналов направляющегоаппарата на амплитуду пульсаций давления................................................... 87Выводы и рекомендации90Литература913ВВЕДЕНИЕАктуальностьтемы диссертации вытекает из необходимостиисследования проблем повышения надежности и ресурса жидкостныхракетных двигателей (ЖРД). В этой связи повышение надежности системыподачи компонентов топлива ЖРД, прежде всего турбонасосных агрегатов(ТНА), является ключевой проблемой.

Узловым элементом ТНА являетсяосновной высокооборотный шнекоцентробежный насос (ШЦБН) компонентатоплива (окислителя или горючего), обеспечивающий подачу рабочейжидкости в камеру сгорания и газогенератор при высоком давлении (свыше100 бар). Шнекоцентробежный насос является основным источникомгидродинамическойвибрацииГидродинамическаявибрациясистемыподачицентробежногосовременныхнасоса(ЦБН)ЖРД.являетсясерьезной проблемой на пути повышения его надежности и ресурса уже напротяжении длительного времени. Первые упоминания об этой проблемепоявляются в 60-х годах прошлого века в связи с разрушением крупныхнасосов [1, 2]. Гидродинамическая вибрация возбуждается пульсациямидавления, возникающими в проточной полости насоса вследствие разных посвоей природе гидродинамических причин [3, 4], которые включаютвихреобразование,рециркуляциюпотока,кавитацию,шаговуюнеравномерность параметров потока на выходе центробежного колеса.Последний фактор вызывает генерацию пульсаций давления на такназываемых лопаточных частотах или на частоте следования лопаток (ЧСЛ)и ее высших гармониках и комбинационных частотах.

Эти колебаниядавления являются неотъемлемой частью рабочего процесса центробежногонасоса. В центробежных насосах они имеют высокую амплитуду вследствиеособенностейформированияшаговойнеоднородностипотокавцентробежной лопаточной решетке.Хорошо известно, что физическая природа пульсаций давления вцентробежном насосе представляет собой сложное суммарное проявлениетак называемого «псевдозвука» и акустических колебаний. В определении4пульсаций давления, генерируемых трехмерным вихревым течением вшнекоцентробежном насосе необходимо принимать во внимание, чтонеоднородное распределение параметров потока на выходе центробежногоколеса генерирует акустические возмущения, которые распространяются соскоростью звука в рабочей жидкости. Псевдозвук – вихревые возмущения,которые конвектируются основным течением [5, 6].

Такие колебанияназывают также вихревой модой [7, 8, 9]. Псевдозвуковые колебания быстрозатухают вниз по течению от ротора [10], оставляя в напорном трубопроводетолько акустическую моду колебаний давления. Таким образом, определениеамплитуды пульсаций давления в шнекоцентробежном насосе на раннейстадиипроектированияявляетсяактуальнойисложнойфизико-математической задачей. На двойственную природу пульсаций давления вцентробежных насосах было обращено внимание еще в ранних работахПокровского [3], далее указанный подход начал развиваться в работахТимушева и соавторов [11] применительно к двумерной постановке задачиопределения пульсаций давления в центробежном насосе с безлопаточнымдиффузоромиспиральнойшнекоцентробежных насосахулиткой.ТечениевсовременныхЖРД имеет существенный трехмерныйхарактер, поэтому возникает необходимость в расширенииобластиприменения акустико-вихревых уравнений для трехмерного случая ипостроении методики расчета пульсаций давления с использованиемвычислительной гидродинамики и акустики.

Использование акустиковихревого метода для задач трехмерного моделирования позволит на раннихэтапах проектирования оценивать уровень амплитуды пульсаций давления идинамическихнагрузок,многопараметрическойгидродинамическойприменитьоптимизации,вибрацииинадежнуюсовременныеобеспечиваяработуметодыснижениедвигателяпримногоразовом использовании.5Целью диссертационной работы является разработка методикирасчетадискретныхкомпонентспектрапульсацийдавлениявшнекоцентробежном насосе ЖРД с применением трехмерного акустиковихревого метода. Для достижения поставленной цели проведено решениеследующих задач:1. Аналитический обзор проблемы гидродинамической вибрации,методов расчета амплитуд пульсаций давления, а также задачи численногомоделирования пульсаций давления в центробежном насосе.2.

Распространение акустико-вихревого метода на трехмерную задачуопределения пульсаций давления в шнекоцентробежном насосе.3. Разработкаметодикишнекоцентробежномнасосерасчетаспульсацийиспользованиемдавленияпакетавприкладногопрограммного обеспечения FlowVision.4. Анализэкспериментальныхданныхмодельныхиспытанийшнекоцентробежного насоса и сравнение расчетных амплитуд дискретныхкомпонент спектров пульсаций давления с измеренными величинами дляпроверки расчетной методики.5. Апробация методики расчета для условий натурных испытаний приопределении пульсаций давления на выходе шнекоцентробежного насоса струбчатым направляющим аппаратом6.

Численныйанализтрехмерногонестационарноготечениявшнекоцентробежном насосе окислителя с отводами разного конструктивногоисполнениядляопределениявлиянияуглаустановкитрубчатогонаправляющего аппарата на гидравлические потери и амплитуды пульсацийдавления.Основными методами проведения исследований в диссертационнойработе являются применение трехмерного акустико-вихревого подхода вматематическом описании генерации и распространения пульсаций давлениявотводешнекоцентробежногонасоса,численноемоделированиетрехмерного нестационарного течения для определения источниковой6функциинеоднородноговолновогоакустико-вихревогоуравнения,сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными модельныхиспытаний для проверки методики, применение методики расчета пульсацийдавления для условий натурных испытаний.Научная новизна.

В ходе работы над диссертацией полученыследующие новые результаты:−сформулированыиреализованыконечно-разностныеуравнения,формулы расчета источниковой функции в неоднородном акустико-вихревомуравнении и граничные условия в трехмерной постановке для численногомоделирования генерации и распространения пульсаций давления на частотеследования лопаток (ЧСЛ) и ее гармониках в отводе шнекоцентробежногонасоса ТНА ЖРД;−получены распределения амплитуд дискретных компонент спектраЧСЛ по длине проточной части отвода шнекоцентробежного насоса слопаточным направляющим аппаратом (НА), которые подтвержденыэкспериментальными данными;−установлена взаимосвязь между относительной амплитудой пульсацийдавления и коэффициентом напора насоса.Практическая значимость данной работы:−разработана методика расчета амплитуд пульсаций давления ЧСЛ вотводе шнекоцентробежного насоса ТНА ЖРД, дающая возможностьоценкидинамическойнагрузкиконструкциинараннихстадияхпроектирования;−расчетным путем подтверждено существенное изменение амплитудыпульсаций давления по длине проточной части отвода шнекоцентробежногонасоса;7−определенасвязьамплитудыпульсацийдавлениядискретныхкомпонент на частоте следования лопаток с напором шнекоцентробежногонасоса ТНА ЖРД;−показано, что угол установки каналов НА, при котором реализуетсяминимальная амплитуда пульсаций давления, не совпадает, по углуустановки, с минимумом гидравлических потерь в НА.Реализацияреализованаврезультатовпробнойверсииработы.пакетаРазработаннаяприкладногометодикапрограммногообеспечения FlowVision.Апробация работы.Основные положения и результаты диссертации представлены намеждународных конференциях:Клименко Д.В., Тимушев С.Ф., Фирсов В.П.

Численное моделированиепараметровнестационарногопотокавцентробежномкомпрессоре.Международный форум Инженерные системы-2012.Клименко Д.В., Федосеев С.Ю., Тимушев С.Ф. Численный анализнестационарноготечениявтурбомашинахкриорефрижератора.Международный форум Инженерные системы-2015.Клименко Д.В., Тимушев С.Ф. Расчет пульсаций давления в отводешнекоцентробежногонасосаакустико-вихревымметодом.Научно-техническая конференция "Гидравлика" МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015.Клименко Д.В., Тимушев С.Ф., Корчинский В.В., Лотков Н.А.Сравнительный анализ пульсаций давления в вариантах трубчатогонаправляющего аппарата шнекоцентробежного насоса ЖРД.