Диссертация (Разработка трубчатых направляющих аппаратов в отводах высокооборотных центробежных насосов с целью снижения виброактивности и увеличения ресурса работы), страница 8

17).Основная трудность, с которой приходится сталкиваться при расчете НАс каналами круглого сечения связано с отсутствием достаточно обоснованнойметодики определения углов потока перед диффузором α3 (рис.11) при за-Рис. 17 Определение длины каналов лопаточного направляющегоаппарата.данном угле выхода потока из колеса2(в случае b3 b2 ). Это жеобстоятельство затрудняет сопоставление расчетных скоростей вдоль лопатки56с опытами, полученными по измеренным давлениям на поверхности лопатки,расположенной вблизи рабочего колеса.Аналитический расчет потенциального течения в лопаточном НА можетбыть произведен для ряда значений угла3, соответствующих углам потокавдали от лопаток на бесконечном удалении от решетки. Аналитическоеопределение угла3,(4)является одним из сложных вопросов, когдапрофилирование данного угла определяется эллипсной кромкой, которая всвою очередь образуется пересечением каналов НА.В работах [10, 19] считается, что если активный поток, выходящий израбочего колеса заполняет всю ширину канала перед входными кромкамиканалов НА и b3 b2 , то:2tg3=где2b2tgb32( 10 )– зависит от ns, чем выше ns тем относительно больше -2,(угол– параметр потока РК).Угол3лдля вновь проектируемого насоса можно предварительноопределить при расчете геометрических параметров НА: определив поформуле (1) количество каналов НА и разделив 360о на число каналов,получим фиксированный угол12, токлкл(см.

Рис. 9). Например, если число каналов= 30о. Предварительное значение угла3л=кл= 30о определяетсяпо построению геометрических параметров НА. Корректировка данного угламожет быть проведена при дальнейшем профилировании каналов (см. Рис. 18,Рис. 19) [44].Осевая длина каналов (лопаточного) НА будет находиться впропорциональной зависимости от угла3ли угла4л.Предварительно длина канала НА находится по формуле (9) ипостроением диаметра D3 = D2 + 1…2 мм (Рис.

16). Надо учесть, чтоокончательные размеры D2 и D3 будут устанавливаться путем механическойподрезкивпроцессеэкспериментально–доводочныхиспытанийразработанного центробежного насоса, при корректировке зазора δr.57По методике в работе [23] D5 = (1,35…1,4) D2 (см. Рис. 9). НаРис. 13 изображен НА, предлагаемый в работе [44] (где D4 – наружныйдиаметр кольцевого диффузора для ЛНА; D 4 для НА с круглыми каналами, аD4 обозначен как D5):D5 = (1,35…1,4) D2( 11 )Диаметр D5 также можно корректировать в процессе проектированияпроточной части, после определения осевой длины канала по формуле (9) ипрофилирования образующих каналов НА.Вработе[27]отмечается,чтодляполучениямаксимальнойвосстановительной способности потока после РК в кольцевом диффузоренеобходимо создать предотрывное состояние пограничного слоя привозможно меньшей его толщине.

Это означает, что сразу же за входнымсечением каналы должны иметь максимально возможное открытие (приусловии отсутствия отрыва), а в дальнейшем по длине канала должен бытьсоздан уменьшенный градиент давления в потоке, который остается впредотрывном состоянии. В конических и плоских диффузорах для полученияподобного характера течения канал должен иметь стенки овально-эллипснойформы (это только предполагаемый вариант формы поперечного сечениякольцевого диффузора, в соответствии с трехмерной пространственнойструктурой потока). Возможна дальнейшая оптимизация контура канала НАдля согласования с трехмерной структурой потока, выходящего из РК ипреобразованного кольцевым диффузором.

В этом случае канал будетсостоять из спиральной, цилиндрической и диффузорной частей длянеобходимой структуризации потока в канальном пространстве [44].Длина канала НА определяется при помощи формулы (9) с последующимпрофилированием входного участка с учетом угла3(Рис. 18).Профилированием каналов проточной части отводов в центробежныхнасосах можно добиться снижения потерь энергии и повышения уровняравномерности потока. Соответствующим профилированием каналов такжеможет обеспечиваться не только снижение вибрации и пульсаций давления, но58и кавитационных явлений на режимах перегрузки.После выхода из РК поток имеет сильно выраженную шаговуюнеравномерностьпараметровпотангенциальнойкоординате.Этанеравномерность является основным источником пульсаций давления ивибрации на частоте следования лопаток и ее высших гармониках[19, 56](рис.6.)Генерацияпульсацийдавленияпроисходитвследствиенестационарного воздействия турбулентного потока с входными кромкамиНА.

Интенсивность этого взаимодействия снижается вследствие уменьшенияшаговой неравномерности потока в кольцевом диффузоре. Эффективноеснижение вихревых возмущений и амплитуды пульсаций давления (примернов 10 раз) наблюдается экспериментально с увеличением относительногорадиального зазора до 20% [57], но увеличение радиального зазора доопределенного момента начинает снижать КПД насоса и увеличиваетгабариты, что особенно нежелательно для насосов ТНА ЖРД.В связи с указанной проблемой важно уделить повышенное вниманиепрофилированию входного участка каналов НА для сечения «в плане», гденагрузка от шаговой неравномерности вихревого потока максимальна.Наиболее простой, и эффективный способ профилирования может бытьсвязан с применением кривой логарифмической спирали с показателем m =tgα3л на Рис.

19 для входного участка канала трубчатого НА[8, 26, 58 ].Движение потока в кольцевом диффузоре происходит по траекторииблизкой к логарифмической спирали. Поэтому закономерно спрофилироватьначальную рабочую поверхность НА так, чтобы снизить деформацию потокапри прохождении лопаток РК и, тем самым уменьшить амплитуду пульсацийдавления.Профилирование позволяет уточнить угол αкл (см.Рис. 9) и приблизитьугол установки входной кромки α3л к углу натекания потока α2.

Примерыпостроения спиральных кривых с разными угловыми параметрами показанына Рис. 18.59Рис.18Примерыобразующихлогарифмическихспиралей,соответствующих разным углам α3лНа Рис. 19 представлена корректировка входных кромок каналов НА.При конструировании НА угол α3кл равен 30°, после профилирования сталравен 14°.Как показывает численное моделирование, такая корректировка можетснизить потери энергии в отводе и амплитуды пульсации давления на частотеследования лопаток.60Рис. 19 Построение расходной и напорной поверхностей каналов НА сизменением угла αкл = 14º входной кромки.613.5.

Определение геометрических параметров и профилированиеспиральной камеры в отводе после профилирования каналовнаправляющего аппаратаДля одноступенчатых и для последней ступени многоступенчатыхцентробежных насосов рекомендуется отводить поток через кольцевой каналспиральнойформы,которыйрасполагаетсявокруглопаточногонаправляющего аппарата или, непосредственно, вокруг рабочего колеса. Впоследнем случае спиральная камера заменяет направляющий аппарат[59, 60].Работавыходногоустройстваспиральнойкамерыидиффузора,теоретически не может быть полностью охарактеризована только однимкоэффициентом потерь энергии[20].

В зависимости от предъявляемыхтребований к техническим показателям проектируемого центробежногонасоса, отвод насоса может быть разного конструктивного исполнения. Непоследнее значение имеет и уровень амплитуд пульсаций давления привозникновении резонансного усиления колебаний в отводе [7, 61].Расчет спиральной камеры сводится к определению необходимойплощади сечения на различных углах разворота αº [62, 63].Впрактикенасосостроениясуществуетнесколькометодоврасчетаспиральной камеры[10, 20, 26]. В данном случае применен наиболее простойметод, исходящий из предположения, что скорость потока в спиральнойкамере - Ссп постоянна в каждом сечении по длине спирального канала.Спиральная камера (рис.20, Рис. 22) состоит из спирального канала спостепенно нарастающими сечениями и диффузора.

Все промежуточныесечения заданы таким образом, чтобы обеспечить плавное изменениепроточной части, принимая при этом расход по формуле (10):оQψ = Q·360о[62] (10)Пропускная способность расхода жидкости в спиральном отводеопределяется пропорционально углу положения сечения αº (Рис. 20, Рис. 22).Расчет по заданному закону изменения средних скоростей начинают с62определения площади сечения F360, которое должно пропускать весь расход.Это сечение выбирается исходя из заданного отношения средних скоростей навходе в спиральную улитку и на выходе из нее.Начальную ширину сечения b3 выбирают в зависимости от ширины b2 иD2 рабочего колеса:b3 ≈ b2 +0,05·D.Увеличение ширины сечения при входе b3 по сравнению с ширинойрабочего колеса b2 создает монтажно-конструктивные преимущества, так какне требует точной установки колеса по оси спирального отвода и являетсявыгодным с гидродинамической точки зрения.63Рис.

20 Проточная часть двухвитковой спиральной камеры в отводе насоса64Рис. 21 Развертка поперечных сечений подковообразной формы спиральнойкамеры в отводе насоса (рис.20).Используется выше указанный метод расчета площадей поперечныхсечений спиральной камеры (Ссп = const, где Ссп - средняя скорость потока в65горле спиральной камеры).При этом Ссп = (0.65 ÷ 0,75)·С2u, гдеС2u –тангенциальная скорость потока. Для ns до 150 рекомендуется Ссп = 0,75 С2u ;QFг = Ссп. ; Q – заданное значение расхода, Fг – произвольная площадь,Fг.расч. – заданная величина поперечного сечения спиральной камеры передконическим диффузором. Длина горла конического диффузора (от началаFг.расч.) Lд выбирается из расчета Fг.диф.

≈ 2 Fг.расч. (см.Рис. 20 и Рис. 21).Площади сечений спирали в любом произвольном сечении находятся поFг . расч .формуле Fг. =360 оо[63].Подставляя значения угла αº = 320º, 280º , 240ºи так далее все 11 сечений, от 11 ÷ 1, получим плавное уменьшение площадейспирального канала от заданной Fг.расч.. Определяем форму поперечногосечения (круглая, трапециевидная и др.) и вычислив площади поперечныхсечений по заданным сечениям и по построению можно провести плавнуюкривую спиральной камеры в сечении в плане.66Рис. 22 Проточная часть одновитковой спиральной камеры в отводе насосаокислителя для первой ступени ракеты носителя изделия РД180.67Рис.

23 Развертка поперечных сечений подковообразной формыспиральной камеры в отводе насоса (Рис. 22)68Если сечения спиральной камеры выбраны правильно и согласуются сформой и сечениями каналов НА, то такое сочетание должно обеспечиватьснижение потерь и пульсаций давления при замедлении потока.Потери энергии в отводе после НА определяются суммой потерь вспиральном сборнике и в коническом диффузоре (см. Рис. 4 и Рис. 5).Исследования показывают, что круглой форме поперечного сечениясборника соответствуют несколько меньшие потери энергии, чем при другихформах, и также круглая форма имеет преимущество по прочностнымхарактеристикам [7].Поэтому в большеразмерных насосах ЖРД спиральные сборникивыполняют с круглым сечением (горло отвода полный круг), но возможны идругиеформысечений.Изменениемформыпоперечногосечения(подковообразное, круглое и трапециевидное и т.д.) можно скорректировать иподобратьрасчетнуюплощадьпоперечногосечениялюбойформыспиральной камеры вновь проектируемого насоса.Форма поперечных сечений спиральной камеры предпочтительно должнасоответствоватьформепоперечныхсеченийканаловНАибытьотносительным продолжением образующих поверхностей каналов НА,обеспечивая плавный переход к поверхности проточной части спиральнойкамеры.