Диссертация (Прогнозирование и управление кавитационными характеристиками бустерных оседиагональных насосов кислородно-керосиновых ЖРД с использованием численного моделирования), страница 3

Диссертация состоит из введения, 4 глав,заключения, списка литературы. Общий объём работы 109 страницы текста, 2таблицы, 61 рисунок.Краткое содержаниеВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачиработы, отражены научная новизна и практическая ценность, приведеныположения, выносимые на защиту.В первой главе представлен обзор литературных источников, посвященныхметодам определения кавитационных характеристик и качеств шнековых иоседиагональных насосов.Во второй главе представлены методы и подходы к моделированиюкавитации и кавитационных характеристик в современных программныхкомплексах.В третьей главе описана методика моделирования кавитационныххарактеристик при помощи программного комплекса ANSYS CFX, данырекомендации по сеточным моделям.В четвертой главе представлены основные результаты моделированияобъекта исследования с учетом различных геометрических параметров.

Проведенанализ и сравнение результатов моделирования с результатами других авторов.Заключение содержит основные результаты и выводы диссертационнойработы.121. ОБЗОРМЕТОДОВХАРАКТЕРИСТИКОПРЕДЕЛЕНИЯИКАЧЕСТВКАВИТАЦИОННЫХШНЕКОВЫХИОСЕДИАГОНАЛЬНЫХ НАСОСОВ.1.1.Введение в проблематикуУвеличение всасывающей способности бустерных турбонасосных агрегатов(БТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) на стадии их разработки являетсяодной из приоритетных задач в настоящее время, так как обеспечивает уменьшениемассы не только самого БТНА за счет увеличения скорости вращения ротора, но имассы баков и системы наддува.Кавитация – это процесс нарушения сплошности потока жидкости в зонепониженного давления, заключающийся в образовании полостей, наполненныхпаром и выделившимся из жидкости газом. В области пониженных давленийвозникают растягивающие напряжения, которые приводят к разрыву жидкости иобразованию кавитационных пузырьков и каверн, а также выделению из жидкостирастворенных газов [95].Кавитирующий поток вызывает следующие воздействия на гидромашины:При достаточно развитой кавитации возрастают гидравлическиепотери, уменьшается напор и КПД, а в некоторых случаях происходитуменьшение расхода.Возникает шум и повышенные пульсации давления в потоке.Эрозия в тех местах, где схлопываются пузырьки.Исследования кавитации проводились ещё Эйлером в 1754 году во время егоизучения турбомашин, который исследовал появление кавитации в воде, текущейс большой скоростью.

Слово «кавитация» было предложено Фрудом, которыйописал каверны, как полости, заполненные паром [70]. Явление кавитации былопредсказано Рейнольдсом и обнаружено при испытаниях эскадренного миноносцаанглийского военно-морского флота «Дэринг» в 1893 г. Парсон был одним изпервых, кто изучал отрицательный эффект кавитации на характеристикикорабельного винта [43, 71]. Также Парсон был первым, кто построил13кавитационный туннель для изучения кавитации на винтах торпедного катера«Турбинии». В 1923 году в рамках экспериментального изучения насосов и турбинбыл представлен безразмерный кавитационный коэффициент [8, 30, 43, 98]:=вх − .0,5вх u2В источнике [103] представлен похожий коэффициент только вместоокружной скорости u, в знаменателе стоит относительная скорость w1.В источнике [104] представлен похожий коэффициент – критерий подобиякавитации лопастных насосов, а также любой гидравлической машины:К=вх − .0,5вх с2вхВ том же источнике [104] представлен критерий подобия кавитации с учетомтермодинамических свойств жидкости:К=кр − п кр,0,5вх с2вхгде п кр = п − ∆Рт – давление насыщенных паров в зоне кавитации; ∆Рт –уменьшение давления насыщенного пара из-за парообразования.Также в насосостроении используют ещё один обобщающий коэффициент –коэффициент Тома [99]:кр =∆ℎкргде ∆ℎкр – критический кавитационный запас, Н – напор насоса.Коэффициент Тома не подходит для оценки кавитационных качеств насосов,так как напор в большинстве случаев не влияет на кавитацию в отличие отгидравлических турбин и насосов с малой густотой решетки.

Однакокавитационные характеристики насосов с использованием коэффициента Томаиногда встречаются в литературе для связи энергетических и кавитационныхкачеств насоса.Кавитационные характеристики можно получить несколькими путями:экспериментально;расчетно – статистически;14численным моделированием.Экспериментальное получение кавитационной характеристики на стадииразработки является дорогостоящим, трудозатратным и растянутым по времени. Заисключением специальных экспериментов, невозможно узнать тип кавитации иначало появления определенного режима кавитации.Расчетно – статистические методы позволяют с определенной долейпогрешности узнать начало первого, второго и третьего режима кавитации, однаков них не полностью учитываются все геометрические параметры насоса.

Дляразличных типов насосов необходимо применять различные эмпирическиезависимости.Численное моделирование, как и расчетно-статистическое, позволяет сопределенной долей погрешности определить первый, второй и третий режимкавитации. Одним из главных преимуществ этого метода является определениевсейкавитационнойхарактеристикисучетомвсехгеометрическихигидравлических параметров. Численное моделирование позволяет определитьтипы гидравлической кавитации в насосе. Однако необходимо не забывать о том,что для использования этого метода получения кавитационных характеристикнужна геометрия насоса, которая в преобладающем большинстве случаев строитсяисходя из эмпирических формул, но может быть в дальнейшем уточнена благодарячисленному моделированию, например для новых двигателей [87].

Этот методявляется оптимальным для получения кавитационных характеристик и качествнасосов, так как требует только умения использования программного обеспеченияи вычислительных мощностей компьютера, и с его помощью можно исследоватьразличные типы геометрии насосов.1.2.Экспериментальное изучение кавитацииЭкспериментальные методы изучения кавитации можно разделить на прямыеи косвенные [100]. К прямым методам относятся: визуальный; акустический метод.15К косвенным методам: гидравлический; механические; фотоэлектрические; и другие.Из множества методов изучения кавитации выделим гидравлический ивизуальный методы. Так как эти два метода, схожи с проведением численногомоделирования.1.2.1. Гидравлический метод определения кавитационныххарактеристик и типы характеристикГидравлический метод определения кавитационных характеристик основанна изменении параметров потока, таких как расход, скорость, перепад давления идругих [100].Для определения критических входных давлений на практике частоиспользуют срывные кавитационные характеристики типа H=f(pвх), H=f(h) илиH=f(Δh) при постоянном расходе и частоте вращения колеса.

Кроме описанныхвыше срывных кавитационных характеристик используют также универсальныесрывные характеристики типа H/n2=f(Δh/n2).В источнике [104] представлены различные срывные кавитационныехарактеристики шнеко-центробежных насосов, которые показаны на рис. 1.2.1.1,также там представлено разделение на первый и второй критический режим, гдепервый критический режим – начало изменения напора, а второй – начало резкогопадения напора или срыв режима насоса.Как можно заметить из рис.

1.2.1.1 все эти характеристики различны иразница между первым и вторым критическими кавитационными режимами невсегда фиксируется, по мнению авторов.В источнике [104] даны обобщения, в каких диапазонах ns чаще встречаютсяэти характеристики:ns<80 – а, б, д, ж;16120<ns<150 – в;ns>150 – г, е, з.3,65∙∙√где =, n – обороты насоса [об/мин], H – напор насоса [м], Q – 0,75расход_[м3/с].Рис. 1.2.1.1. Виды срывных характеристик насосов [104].Необходимо отметить, что данные характеристики приведены для шнекоцентробежных насосов, и классификация этих характеристик условна, как условныи сами критические режимы на этих характеристиках, так как определяются путёмпересечения отрезков прямых, осредняющих опытные точки.

Так, для первогокритического режима зачастую принимают падение напора на некоторуюпредельную величину в процентах (например, на 2 или 3%). Для второго17критического режима иногда принимают точку падение напора на 10% или 15%, адля насосов ЖРД, особенно для БТНА, необходима полная срывная кавитационнаяхарактеристика. Эта необходимость обусловлена тем, что область входныхдавлений между первым и вторым критическим кавитационным режимом являетсядля насосов ЖРД рабочей [96].Из вышеописанного можно сделать вывод о том, что характеристики зависятот типа насоса и, для более точного определения момента начала того или иногорежима кавитации необходимо уметь определять эти характеристики. Дляоседиагональныхнасосовхарактеристикимогутбытьотличнымиотпредставленных на рисунке 1.2.1.1.Сучетомзаконовгидродинамическогоподобияможнопостроитьобобщенные кавитационные характеристики, если имеются испытания насоса наразличных по Q и n режимах.

При этом тип характеристики будет иметь вид∆ℎкр2= ( ).Антикавитационные свойства насоса для любого режима работы выглядятследующим образом:Скр5,62√= ( ) =.0.75∆ℎкр( 2 )Графики обобщённых кавитационных характеристик и антикавитационныхсвойств насоса строятся для первого или второго критического режима, либо дляобоих режимов. Для более полной картины о кавитационных характеристикахнасоса необходимо добавить ещё один параметр – относительное падение напорапри переходе с первого кавитационного режима на второй:1 − 2н = ( ) =∙ 100%1где 1 и 2 – величина напора на первом и втором критическом режиме.Имеяграфикиобобщенныхкавитационныхиантикавитационныххарактеристик, а также график относительного падения напора (рис.