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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет)»На правах рукописиКазеннов Иван СергеевичПРОГНОЗИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ КАВИТАЦИОННЫМИХАРАКТЕРИСТИКАМИ БУСТЕРНЫХ ОСЕДИАГОНАЛЬНЫХ НАСОСОВКИСЛОРОДНО-КЕРОСИНОВЫХ ЖРД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСЛЕННОГОМОДЕЛИРОВАНИЯСпециальность 05.07.05 «Тепловые, электроракетные двигатели иэнергоустановки летательных аппаратов»Диссертация на соискание учёной степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наукТимушев Сергей ФедоровичМосква-20171ОглавлениеВведение ...........................................................................................................................

41. Обзор методов определения кавитационных характеристик и качеств шнековыхи оседиагональных насосов. ......................................................................................... 131.1.Введение в проблематику ................................................................... 131.2.Экспериментальное изучение кавитации ..........................................

151.2.1. Гидравлический метод определения кавитационных характеристики типы характеристик ................................................................................................. 161.2.2. Визуальное изучение и типы гидродинамической кавитации ........ 191.3.Расчетно-статистическиеметодыопределениякавитационныххарактеристик и качеств насоса по второму критическому режиму .................... 271.4.Изучение кавитации при помощи численного моделирования ......

341.5.Геометрические параметры, оказывающие влияние на кавитацию 36Выводы .............................................................................................................. 412. Методы численного моделирования кавитации .................................................. 432.1.Подходы к моделированию кавитации .............................................. 452.1.1.

Метод отслеживания границы. ........................................................... 452.1.2. Метод дискретных элементов. ............................................................ 462.1.3. Двухфазные методы ............................................................................. 462.1.4. Метод объёма жидкости ...................................................................... 462.2.Модели кавитации, реализованные в современных CFD пакетах ..

472.2.1. Модели, кавитации реализованные в ANSYS Fluent ....................... 482.2.1.1. Модель Сингхала и др. ........................................................................ 502.2.1.2. Модель Шварта, Гербера и Беламри .................................................. 532.2.1.3.

Модель Шнерра и Сауэра .................................................................... 542.2.2. Модели, реализованные в ANSYS CFX ............................................ 5522.2.3. Модели, реализованные в Star CCM+ ................................................ 55Выводы .............................................................................................................. 553. Методика численного моделирования кавитационных характеристик сприменением программного комплекса ANSYS .......................................................

563.1.Модели, используемые в ANSYS CFX для решения кавитирующегопотока жидкости ......................................................................................................... 563.2.Методика проведения расчетов .......................................................... 573.3.Сеточные модели ................................................................................. 59Выводы ..............................................................................................................

624. Численное моделирование кавитационных характеристик БТНА .................... 634.1.Моделирование кавитационных характеристик БТНА без учетазазора между корпусом и лопатками колеса ............................................................ 634.2.Моделирование кавитационных характеристик и описание картинытечения в оседиагональном колесе с учетом зазора между корпусом и лопаткамиколеса4.3.бандажа................................................................................................................

64Моделирование кавитационных характеристик колеса c учетом................................................................................................................ 764.4.Влияние толщины входных кромок ................................................... 784.5.Влияние количества лопаток .............................................................. 844.6.Влияния величины зазора на кавитационные характеристики. ...... 864.7.Влияние переменного зазора на кавитационные характеристики. . 904.8.Влияние шероховатости ......................................................................

93Выводы .............................................................................................................. 95Заключение .................................................................................................................... 98Список литературы ....................................................................................................... 983ВВЕДЕНИЕДля уменьшения массы ТНА требуется увеличение оборотов основныхнасосов ЖРД. Для этого необходимо создание насосов с минимальнымкавитационным запасом, чтобы давление на входе в насос, что фактически являетсявходом в двигатель, за вычетом потерь в трубопроводах или в фильтрах, быломинимально возможным. Однако улучшение антикавитационных свойств насосовзачастую приводит к уменьшению их КПД.Во многих конструкциях ЖРД проблема кавитации решается путёмприменения в конструкции бустерных турбонасосных агрегатов (БТНА) илиструйных насосов, которые обеспечивают бессрывную работу основных насосовдвигателя.

БТНА применяются в конструкции многих двигателей большой и малойтяги, как открытых схем, так и закрытых, создают сравнительно небольшой напор(достаточный для бессрывной работы основных насосов) и имеют с меньшиеокружные скорости в отличие от основных насосов. Это позволяет при умеренныхвеличинах СкрII основных насосов снизить давление на входе двигатель.Однако есть тип БТНА с высокими кавитационными качествами и КПД науровне 0,65-0,8 и высокими антикавитационными качествами (рис. 1). В такихнасосах применяются оседиагональные колеса. Оседиагональное колесо – эторабочее колесо с осевым входом и выходом, однако главное отличие таких колесот шнековых - это переменный по длине межлопаточного канал диаметр втулки, а,иногда,ипеременныйдиаметрколеса.Обычнолопаточныерешеткиоседиагональных колёс условно разбиваются на три участка – входной иликавитационный, промежуточный и выходной.

Густота решетки лопаток такихколёс больше шнековых и может находиться на уровне 3-3,5.Оседиагональные насосы имеют коэффициент быстроходности на уровне150-550, закон профилирования лопаток отличный от шнекового ( ∙ tan ≠), переменную по длине канала колеса втулку (иногда втулочное отношениена выходе достигает значений 0,85 – бустерный насос SSME и J-2 изисточника_[8]),густотарешеткиколеса4имеетбольшиезначения,чемрекомендованные в литературе (по рекомендациям для шнековых колёс [85]густота должна составлять от 2 до 2.4, тогда как в оседиагональных колёсах густотачасто бывает более 3). Оседиагональные насосы используются не только в ЖРД, нои в авиации (топливные подкачивающие насосы), в судостроении (водометныедвижетели), нефтяной и других отраслях промышленности.Рис.

1. Типовая схема бустерного насоса ЖРД НПО Энергомаш [1]; 1входные пилоны; 2 – шнек; 3 – полость разгрузки осевых сил;4 – ротортурбины привода; 5 – спрямляющий аппарат отвода.Величина критического кавитационного коэффициента быстроходности повторому критическому режиму (СкрII) может достигать от 3000 до 10000, только засчет колеса. В шнековых и оседиагональных колёсах бессрывная работа колесаобеспечивается за счет его большой густоты. Однако в основном применяютсяколеса с СкрII от 3000 до 5000, так как увеличение СкрII может повлечь за собойнежелательные явления, такие как низкий КПД, появление низкочастотныхколебаний и т.д.

Даже при таком уровне кавитационного коэффициентабыстроходности в БТНА кавитационный коэффициент быстроходности системыпитания достигает уровня 10000-16000, тогда как без БТНА составляет 4000-5000[86], где для расчета СкрII берут критический кавитационный запас бустернегонасоса, а обороты основного насоса (формула расчета критического коэффициентабыстроходности приведена ниже). В БТНА производства НПО Энергомаш и КБХимавтоматики при СкрII от 3000 до 5000, КПД составляет от 0,65 до 0,80.5Чаще всего БТНА имеют свою собственную автономную турбину или, реже,привод от основного вала через мультипликатор.