Автореферат (Прогнозирование и управление кавитационными характеристиками бустерных оседиагональных насосов кислородно-керосиновых ЖРД с использованием численного моделирования)

На правах рукописиКАЗЕННОВ ИВАН СЕРГЕЕВИЧПРОГНОЗИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ КАВИТАЦИОННЫМИХАРАКТЕРИСТИКАМИ БУСТЕРНЫХ ОСЕДИАГОНАЛЬНЫХ НАСОСОВКИСЛОРОДНО-КЕРОСИНОВЫХ ЖРД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)».Научный руководитель:доктор технических наук Тимушев Сергей ФедоровичОфициальные оппоненты:Петров Владимир Иванович доктор технических наук, профессор,федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научноисследовательский институт машиностроения», главный научный сотрудник.Анкудинов Анатолий Александрович кандидат технических наук, доцент,федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Московский государственный техническийуниверситет имени Н.Э.

Баумана», доцент.Ведущая организация:Федеральное государственное унитарное предприятие «НПО «Техномаш»Защита состоится «11» сентября 2017 года в 13:00 на заседаниидиссертационного совета Д212.125.08, созданного на базе Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета),по адресу:125993, г.

Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское ш., д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайтеМосковского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета)http://mai.ru/upload/iblock/871/dissertatsiya_024_1204_post_kor.pdf.Автореферат разослан «___» _________2017гУченый секретарьдиссертационного советаД212.125.08д.т.н., профессорЗуев Юрий ВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертационной работы.

Одной из главныхзадач при проектировании бустерных турбонасосных агрегатов (БТНА)жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с оседиагональными колёсамиявляется определение их кавитационных характеристик на этапепроектирования двигателя. Существующие методики определениякавитационных характеристик и качеств разрабатывались для шнековых илишнекоцентробежных насосов.

Их использование для расчета кавитационныххарактеристик оседиагональных колёс БТНА ЖРД не изучено. Необходимоотметить геометрические параметры, влияние которых на кавитационныехарактеристики не проанализировано достаточным образом – величиназазора между колесом и корпусом, влияние установки бандажа на колесо ивлияние шероховатости.

Для решения данных задач необходимо создатьметодику моделирования кавитационных характеристик, учитывающуювлияние различных геометрических факторов. Использование такойметодики сократит материальные затраты и время на отработку новойпроточной части БТНА и повысит экономическую эффективность всегопроцесса разработки.В качестве объекта исследования выбран бустерный турбонасосныйагрегат ЖРД, представляющий собой осевой насос с оседиагональнымрабочим колесом и лопаточным осевым отводом.

На входе в колесовыполнен переменный зазор от 3,6 мм до 1 мм на густоте решетки попериферии τ≈0,5. На выходе оседиагонального колеса установлен бандажтурбины.Цель работы – спрогнозировать кавитационную характеристику БТНАсо сложной пространственной геометрией проточной части межлопастногоканала на этапе проектирования. Получить влияние различныхгеометрическихпараметровнакавитационныехарактеристикиоседиагональных колёс и дать рекомендации по возможности использованияданных, полученных для шнекоцентробежных колёс ЖРД.

Ускоритьотработку конструкции и снизить объём материальной части при проведениииспытаний, таким образом повысив качество проектирования и снизивэкономические затраты на создание насоса.Для достижения поставленной цели необходимо было решитьследующие задачи: выбратьпрограммноеобеспечениедлячисленногомоделирования кавитационных характеристик; разработать методику численного моделирования кавитационныххарактеристик; проверитьвлияниегеометрическихпараметровнакавитационные характеристики и сравнить их с известными дляшнекоцентробежных насосов зависимостями; проверить влияние радиального зазора, переменного радиальногозазора,бандажаишероховатостинакавитационныехарактеристики; описатьипроанализироватьвизуализациюпараметровкавитационного течения на режиме подачи без обратных токов воседиагональном колесе для различных входных давлений; сформулировать рекомендации по улучшению кавитационныххарактеристик оседиагональных насосов.Научная новизна работыРазработана методика численного моделирования кавитационныххарактеристик бустерных турбонасосных агрегатов с использованиемпрограммного комплекса ANSYS CFX.Проведено численное моделирование БТНА с различными величинамизазоров между лопастями колеса и корпусом насоса при постоянномдиаметре колеса.

Полученные результаты качественно совпадают с данными,полученными в другом классе насосов – шнекоцентробежных. Выбрандиапазон зазоров, позволяющий без значительных потерь в энергетическиххарактеристиках получить приемлемые кавитационные качества насоса.В оседиагональном колесе получены и проанализированы картинывизуализации параметров течения при кавитации на режиме подачи безобратных токов для различных входных давлений.Проведено моделирование кавитационных характеристик БТНА сразным количеством лопаток, которое показывает, что данные качественно иколичественно хорошо согласуются с данными для шнекоцентробежныхнасосов.Проведено моделирование кавитационных характеристик БТНА сразной толщиной входной кромки лопасти. Результаты моделированияхорошо совпадают с данными для шнекоцентробежных насосов, а такжедополняют их по влиянию толщины лопатки у втулки.Получены расчетные данные по влиянию бандажа турбины без учетаутечек в зазоре между корпусом и бандажом на кавитационныехарактеристики оседиагональных насосов, которые показывают, что бандажи имеет слабое влияние на кавитационные свойства насоса.Проведено моделирование кавитационных характеристик с учетомвлияния шероховатости поверхности БТНА, которое показало, чтошероховатость в диапазоне от Ra=0 до Ra=20 не влияет на кавитационныекачества насоса по второму критическому кавитационному режиму, новлияет на первый критический кавитационный режим и энергетическиехарактеристики.Практическая ценность работыРазработанная методика позволяет получить кавитационныехарактеристики оседиагональных насосов со сложной пространственнойгеометрией межлопаточного канала при их работе на воде.

Это даетвозможность на стадии разработки провести моделирование кавитационныххарактеристик БТНА ЖРД с различными геометрическими параметрами иполучить необходимую по кавитационным и энергетическим качествамгеометрию проточной части насоса.Положения, выносимые на защитуМетодика численного моделирования кавитационных характеристик.Результаты численного моделирования кавитационных характеристикБТНА ЖРД с учетом различных зазоров, различных толщин входных кромокпо высоте лопасти, различного количества лопаток, шероховатости, бандажаи типа сеточных моделей.Анализ и описание процесса развития кавитации в оседиагональномколесе.Достоверность результатов обеспечивается: согласованием результатов численного моделирования срезультатамимодельныхиспытанийБТНАокислителянасертифицированном стенде НПО Энергомаш; применением для расчетов программного комплекса ANSYS,который является промышленным стандартом ПО для решения подобногорода задач; качественным совпадением картин визуализации течения прикавитации и влияния геометрических параметров, с опубликованнымиэкспериментальными данными других авторов.Личное участие соискателяРазработана методика численного моделирования кавитационныххарактеристик БТНА ЖРД со сложной пространственной геометрией колеса.Проведено моделирование кавитационных характеристик БТНА ЖРД сразличными геометрическими параметрами оседиагонального колеса икорпуса насоса.Проведен анализ результатов численного моделирования.Получено влияние зазора и переменного зазора на кавитационныехарактеристики.Получено влияние толщины входных кромок оседиагонального колесана различных радиусах.Описан и проанализирован процесс развития кавитационной каверны воседиагональном колесе.Апробация.

Результаты исследований, проведенные в работедокладывались и обсуждались на: 10-й Международной конференции«Авиация и космонавтика – 2011», Москва, 2011г.; Проблемы и перспективыразвития двигателестроения, Самара, 2014г.; ХХ Научно-техническаяконференция молодых ученых и специалистов, Королев, 2014г.;Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения»,Москва, 2017г.; Двадцатая юбилейная международная конференция повычислительной механике и современным прикладным программнымсистемам, Алушта, 2017г.Публикации. По результатам научных исследований, изложенных вдиссертации, опубликовано 3 печатных работы, из которых 3 врецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерстваобразования и науки РФ.Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав,заключения и списка литературы из 106 используемых источников. Общийобъём работы 109 страницы текста, 2 таблицы, 61 рисунок.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели изадачи работы, отражены научная новизна и практическая ценность,приведены положения, выносимые на защиту.В первой главе представлен обзор литературных источников,посвященных методам определения кавитационных характеристик шнековыхи оседиагональных насосов.Проведенный обзор литературы показал, что большинство расчетно –статистических методов получения кавитационных характеристик иантикавитационных качеств насосов основан на экспериментальных данныхшнековыхишнекоцентробежныхнасосов.Применительнокоседиагональным колёсам насосов существует очень мало публикаций, нетих обобщения.В литературе нет расчетных зависимостей по влиянию постоянного илипеременногозазоранакавитационныекачествашнековыхиоседиагональных насосов.