Диссертация (Методика расчёта пульсаций давления в шнекоцентробежном насосе жрд трехмерным акустико-вихревым методом), страница 8

Общее расхождениерасчётных и экспериментальных значений амплитуд в основном связано сдвумя факторами. Во-первых, Погрешность системы измерения пульсацийдавления при модельных испытаниях, включая спектральный анализ,составляет в среднем 30 – 40% по амплитуде дискретных составляющихспектра.

Во-вторых, в расчете, осреднение источниковой функции акустиковихревого уравнения производится в течение одного периода прохожденияосновных лопаток рабочего колеса. Это обусловлено особенностямипрограммного обеспечения. Из-за использования 32-х битной архитектурыпрограмма не может адресовать более 3 Гб оперативной памяти, что делаетневозможным запись данных об источниковой функции для каждой ячейкиза большой интервал времени (например, за период оборота рабочегоколеса). Данное обстоятельство будет устранено в окончательной версиипрограммы, которая создается на базе ПО FlowVision 3 для параллельныхвычислений.3.2.2 Относительный расход-0.8Характер сходимости численного решения по напору во второмрасчете показан на рисунке 3.10.Н, Дж/кг 25000200001500010000500000.4950.5150.5350.5550.575Время, сРисунок 3.10. Изменение напора насоса от физического времени.55Значение напора колеблется в районе значения 11500 Дж/кг, что ниженапора, полученного в эксперименте на 4%.Как и в первом случае, после сходимости расчёта по напору, полученыамплитуды пульсаций давления в лопаточном направляющем аппарате испиральном сборнике.На рисунке 3.11 показано сравнение амплитуд пульсаций давления начастоте следования основных лопаток рабочего колеса (первой гармоникеЧСЛ).Дляпониженногорасходаразницамеждурасчётнымииэкспериментальными значениями получена больше, чем на номинальномрасходе.

На режимах низких подач, усиливаются вихревые явления,возможно наличие обратных токов, которые вызывают пульсации давлениянанизкихчастотах.Низкочастотныеколебанияпараметровпотокаусиливают такой фактор погрешности, как недостаточное осреднениеисточниковой функции акустико-вихревого уравнения.757065ЭкспериментА, дБ 60Расчёт555045012345Расположение точки.67Рисунок 3.11.

Амплитуды пульсаций давления на первой гармоникеЧСЛ при относительном расходе 0.8.56Несмотря на этот фактор, полученные данные качественно согласуютсяс экспериментом, отклонения не превышают 5 дБ. Амплитуда пульсацийдавления увеличивается и составляет 3.1% от коэффициента напора вканалах направляющего аппарата и 0.7% на выходе из насоса.На рисунке 3.12 показано сравнение амплитуд пульсаций давления навторой гармонике ЧСЛ.757065А, дБ.Эксперимент60Расчёт5550012345Расположение точки.67Рисунок 3.12. Амплитуды пульсаций давления на второй гармоникеЧСЛ при относительном расходе 0.8.Полученные данные качественно согласуются с экспериментом.Отклонение в большинстве точек не превышает 4.5 дБ.

Только в точкерасположенной в начале спирального сборника, отклонение составляет 8 дБ.Как указано выше, эта погрешность связана с особенностью установкидатчика пульсаций давления в эксперименте.573.3 Сравнительный анализ пульсаций давления в вариантахнаправляющего аппарата.Проведен расчёт нестационарного течения в шнекоцентробежномнасосе с двумя вариантами направляющего аппарата: классическоголопаточного направляющего аппарата и канального направляющего аппаратас круглым сечением каналов. На рисунке 3.13 показана геометрия входнойчасти отвода направляющего аппарата, которая в значительной степенивлияет на амплитуду пульсаций давления и вибрации насоса на частотеследования рабочих лопаток и ее высших гармониках.Лопаточный НАТрубчатый НАРисунок 3.13. Геометрия входного участка направляющего аппаратаТрубчатый направляющий аппарат формирует на входном участкеэллиптическую входную кромку, которая способствует «сглаживанию»генерируемого импульса давления при прохождении лопаток центробежногоколеса.Расчёты проведены для натурных условий.

В качестве рабочего телаиспользуется жидкий кислород. Частота вращения составляет 13200 об/мин.Подача составляет 1730 кг/с, что соответствует номинальному расходу. Востальном параметры расчета (постановка граничных условий, размеры и58уровень адаптации сетки) оставлены такими же, как и для предыдущихрасчётов.В ходе вычислительных экспериментов проведён расчетный анализ дляподтверждения характеристик трубчатого направляющего аппарата. путемсравнения потерь энергии и пульсаций давления в каналах направляющегоаппарата. В таблице 3.1 приведены данные сравнения потерь полногодавления для лопаточного направляющего аппарата (прямоугольный канал) идля трубчатого направляющего аппарата (круглый канал).Таблица 3.1.

Потери полного давления в различных вариантахконструкций направляющего аппаратаВариант отвода (форма сечения)Потери полногодавления, ПаЛопаточный НА (прямоугольная)8,31E+06Трубчатый НА (круглая)6,88E+06Анализ потерь энергии в исследованных направляющих аппаратахпоказывает, что наименьшие потери полного давления – 6,88 МПадостигаютсявнаправляющемтрубчатомаппаратенаправляющем(прямоугольноеаппарате.сечение)Влопаточномпотеривышена0,143 МПа.Прирасчётахфиксируютсяпульсациидавлениявканалахнаправляющего аппарата. На рисунках 3.14 и 3.15 приведены расчетныезначения (P’)иамплитуды дискретныхсоставляющих (А)пульсацийдавления для точки, расположенной в середине канала.Пульсации ЧСЛ в спектрах выделяются на дискретных компонентах1540 Гц и 3080 Гц. Эти компоненты соответствуют прохождению основных(длинных) семи лопаток и второй гармонике ЧСЛ, высокая амплитуда59которой обусловлена наличием семи дополнительных (укороченных)лопаток, расположенных между основными лопатками.Рисунок 3.14.

Пульсации давления на входе лопаточного НАРисунок 3.15.Пульсации давления на входе трубчатого НА60Применение трубчатого направляющего аппарата снижает амплитудупервой гармоники ЧСЛ в каналах в два раза.В ходе расчета акустико-вихревым методом были получены амплитудыпульсаций давления на первой ЧСЛ на выходе из насоса. Они составили0.017 МПа для трубчатого направляющего аппарата и 0.028 МПа длялопаточного направляющего аппарата. Амплитуда пульсаций давления навыходе из насоса при применении трубчатого направляющего аппаратаснизилась в 1.6 раза.Аналогичный результат получен и в экспериментальных данных,приведённых на рисунке 3.16.Рисунок 3.16. Пульсации давления на первой гармонике ЧСЛ взависимости от частоты вращения вала насоса: ○ – лопаточныйнаправляющий аппарат.

● – направляющий аппарат с каналами круглогосечения.Сравнительныйанализрезультатовчисленногомоделированиянестационарного течения в шнекоцентробежном насосе ЖРД с разнымивариантами направляющих аппаратов [82] показывает, что новый трубчатыйнаправляющий аппарат с круглыми проходными сечениями каналовобеспечивает снижение амплитуды пульсаций давления на первой гармоникечастоты следования лопаток в два раза, а также снижение потерь полногодавления. Эти результаты подтверждаются экспериментальными данными.614ПОЛУЧЕНИЕ АМПЛИТУД АКУСТИЧЕСКИХ ПУЛЬСАЦИЙДАВЛЕНИЯ НА ВЫХОДЕ ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ДЛЯНАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ4.1 Расчетная область, сетка и граничные условияРасчетная область в математическом пространстве состоит из трехподобластей (рисунок 4.1): подвода, ротора и статора, которые виртуальнообъединяются через скользящие поверхности, расположенные на входе ивыходешнекоцентробежногоколесаинаответныхповерхностяхподобластей подвода и статора.Рисунок 4.1.Расчетная область по направлению координаты XНа рисунках 4.2 и 4.3 расчетная область показана в меридиональной иизометрической проекции со снятыми скользящими поверхностями.Данная расчетная область покрывается начальной прямоугольнойсеткой, которая адаптируется к особенностям геометрии, обеспечиваянеобходимую точность расчета.62Рисунок 4.2.

Общий вид расчетной области по направлениюкоординаты Z.Рисунок 4.3. Расчетная область в изометрической проекцииИзометрическая проекция расчетной области, где все три подобластивиртуально объединены по скользящим поверхностям, позволяет лучше63представить реальную форму проточной части насоса (рисунок 4.4). Такимобразом, расчетная область адекватно отражает реальные условия течениярабочей жидкости, учитывая гидродинамическое взаимодействие всехэлементов проточной части, включая направляющие ребра в подводе,вращающуюся лопаточную систему ротора с трехзаходным предвключеннымшнеком и центробежным колесом, имеющим дополнительные укороченныелопатки (семь основных и семь укороченных лопаток), а также двенадцатиканальный (трубчатый) направляющий аппарат.Рисунок 4.4.

Изометрическая проекция виртуально объединеннойрасчетной областиЧисленное моделирование проводится нестационарным итерационнымметодом от нулевых начальных условий. Для выхода на квази-стационарный(колебательный) режим течения в этом случае требуется обеспечить не менеешести полных оборотов центробежного колеса. Стационарный режим работыдостигается для расчетной сетки при минимальной адаптации первого уровняс целью экономии процессорного времени и ресурсов. В качестве начальныхусловий, в области жидкого объема задаются нулевые значения скорости идавления. Расчет ведется как процесс «раскрутки» насоса до достижениясходимости к периодическому осциллирующему решению. Как правило,64шести – десяти полных оборотов рабочего колеса достаточно для полученияустановившегося периодического решения.

Сходимость численного решенияконтролируется по напору насоса. Далее осреднением по входному ивыходному граничному условию и времени можно получить энергетическиепараметры насоса и сигналы и спектры пульсаций давления в разных точкахпроточной части.Сетка первого уровня адаптации приведена на рисунках 4.5 – 4.7. Онасодержит свыше 51000 расчетных ячеек, временной шаг нестационарныхрасчетов составляет 0.02 мс физического времени (т.е. времени процесса).Расчеты на этой сетке выполнялись, в основном, для достижения сходимостик колебательному решению при минимальных затратах процессорноговремени.Рисунок 4.5. Сетка первого уровня адаптации в меридиональнойпроекции.65Рисунок 4.6.

Сетка первого уровня адаптации в меридиональнойпроекцииРисунок 4.7. Сетка первого уровня адаптации на виде в плане66Характер сходимости численного решения по напору при расчете насетке второго уровня адаптации показан на рисунке 4.8.Н, Дж/кг 75000700006500060000550005000045000400000.021470.026470.031470.036470.041470.04647Время, сРисунок 4.8. Изменение напора насоса от физического времениТаким образом, значение эффективного напора по результатам на сеткепервого уровня адаптации составляет на контрольном режиме свыше58000+/-500 Дж/кг.Для установления степени влияния конечно-разностной сетки напогрешностьрезультатовчисленногомоделирования,проведеныаналогичные расчеты на сетке второго уровня адаптации, котораяпредставлена на рисунках 4.9 и 4.10.