Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 89
Текст из файла (страница 89)
Но так как жидкость в потоке не работает на растяжение, которое могло бы воспринять отрицательное статическое давление, то в ней возникают разрывы или пустоты, которые немедленно заполняются парами вскипающей жидкости. Поэтому в пустотах и устанавливается давление, равное давлению насыщенных паров при температуре жидкости р.. Как видно, явление ка~витации аналогично возникновению газового вихря в центробежной форсунке, который также заполняет пун стоты, образующиеся за счет уменьше- лжсджсжяпе ния статического давления в потоке у кайшпацпп жИдКОСтИ Возникновению кавитации, особенно вблизи стенок, способствует также увеличение относительной скорости пото! 1 ка, при которой возможно образование пустот за счет отрыва потока от стенок.
р - р Кавитаци~я нарушает нормальную работу насоса по двум причинам, Фнг. 178. Каннтацнонная нрн- При попадании жидкости, имеющей ная насоса, в своей массе паровые мешки, в оба — первый режим иавитании. гг- ласть более высоких давлений пар кОивторой режим иаввтаиии. денсируется, заполнение объема паровых мешков жидкостью происходит с большой скоростью, что приводит к явлению гидравлического удара в момент заполнения всего объема.
Скорость жидкости при этом может доходить до 1500— 1800 м/сек. Полусферическая форма объемов, расположенных на поверхности лопаток, вызывает направленный гидравлический удар в фокус полусферы. Местные гидравлические удары, охватывающие малые площадки на стенке, приводят к выкрашиванию (эрозии) металла; потере прочности и аварии насоса.
Вторым следствием возникновения кавитации является падение напора и объемного расхода перекачиваемой жидкости. Эти явления наступают потому, что при возникновении кавитации часть объема, подаваемого насосом, оказывается заполненной парами жидкости. Изменение напора при возникновении кавитации характеризуется так называемыми кавитационными кривыми (фиг.
178). Кавитационная кривая представляет собой зависимость изменения напора О, развиваемого насосом от величины разности,о,„— р., где р,. — полис(е давление жидкости на входе в насос. Разность р„,— р, представляет собой напор, который может быть использован для увеличения скорости потока жидкости без возникновения кавитации и называется кавитациониым запасом.
С уменьшением кавитапионного запаса интенсивность кавитации в насосе увеличивается. При этом кавитационная кривая имеет две характерные точки. Точка 1 соответствует та- кой величине кавитационного запаса, когда в насосе начинают появляться отдельные очаги кавитации в тех местах, где скорость жидкости будет наибольшей, При наличии объемов, заполненных парами жидкости, в области повышенного давления происходит конденсация паров еще в самом насосе и кавитация в общем мало влияет на напор, развиваемый.
насосом. Такой режим работы насоса называется первым кавитационным режимом. При дальнейшем уменьшении кавитационного запаса интенсивность кавитации возрастает и наступает такой момент, когда парообразование становится столь большим, что конденсация паров в насосе уже не успевает происходить. В этот момент напор и подача насосом жидкости резко падают — наступает так называемый второй кавитациониый режим, или срыв подачи. Так как кавитационная эрозия развивается постепенно, в течение некоторого времени, то ввиду малой продолжительности работы жидкостного ракетного двигателя она большей частью (исключая насосы самолетных ЖРД) не является ограничением для применения в ЖРД насоса, работающего на режиме кавитации. Совершенно ясно, однако, что работа насосов ЖРД и условиях кавитации, особенно в условиях, приближающихся ко второму режиму на~витания, когда может наступить срыв подачи, является совершенно недопустимой.
Срыв' подачи обязательно приводит к нарушению правильного протекания процесса сгорания в камере и может вызвать взрыв двигателя. Поэтому насос ЖРД должен быть спроектирован так, чтобы возможность интенсивной кавитации в нем была полностью исключена. В отношении возникновения кавитации наиболее опасными являются те сечения потока, ~в которых, с одной стороны, полное давление жидкости мало, а с другой стороны, велики абсолютные и относительные скорости потока.
Таким сечением в центробежном насосе является сечение входа жидкости на лопатки колеса, где полное давление в потоке минимально (насос еще не сообщил жидкости энергии) и скорости (особенно относительная) — велики. Именно поэтому кавитационная кривая строится в зависимости от кавитацнонцого запаса на входе в колесо. Увеличение числа оборотов насоса приводит к возрастанию абсолютной скорости входа жидкости.
Скорость с, в условиях отсутствия закрутки на входе равна меридианальной скорости с, Последняя с увеличением числа оборотов увеличивается за счет уменьшения диаметра входа в насос (П„ см. формулу 1Х.79). Относительная скорость ш, растет как за счет увеличения с1, так и особенно за счет возрастания окружной скорости иь Таким образом, увеличение числа оборотов приводит к увеличению возможности возникновения кавитации. Для того чтобы не допустить кавитации, приходится ограничивать число оборотов насоса.
Возникновение кавитации можно также предупредить, увеличивая полное давление жидкости на входе в насос. Расчет насоса на кавитацию При расчете насоса на кавитацию, как уже было сказано выше, исходят из того условия, чтобы наибольшее разрежение зр „, возникающее при обтекании потоком жидкости лопаток колеса,, было бы меньше, чем кавитационный запас, Следовательно, расчетное условие гласит ар, <р,— р, или р„— р,> Мр ., (1Х. 109) Величина ар .„, как показывает опыт, составляется скоростным тс' напором, соответствующим абсолютной скорости движе2с тм1 ния потока, и некоторой долей Л скоростного напора , со2с ответствующего относительной скорости потока на входе в колесо, т. е. ар = ' +Л вЂ” '= — (сз +Лар). (1Х.110) 2 2 2 ~/ь Величина Л зависит от формы входной части колеса, подводящей поток к лопаткам (в том числе и ат возмущения потока за счет перетекания), угла атаки ь р., стеснения лопатками входа.
Она не может быть определена теоретически и для выполненных насосов равна Л = 0,2 —:0,4. Расчет насоса на кавитацию можно производить по окончании расчета насоса при выбранном значении числа оборотов и, когда величины с, и в, уже определены. Имея в виду, что кавитационный запас должен несколько превышать максимальное разрежение на лопатке, формулу (1Х. 109) можно представить в виде р„— р,=ч — '(с,' +Лтс',) или р,„= т (с', +Лтс',)+р„ Ю (!Х.111) где р — коэффициент запаса, равный 1,2 —:1,4.
Однако формулу (1Х. 111) следует рассматривать скорее как формулу поверочного расчета, так как величина полного давления на ' входе р„не может быть выбрана произвольно (см. ниже стр. 473). Кроме того, расчет на кавитацию, выполненный по формуле (1Х. 111), не служит основной цели — выбору максимального допустимого числа оборотов насоса. Поэтому удобнее основное соотношение расчета на кавитацию (1Х. 109) выразить через основные пара- 470 таз=Се +и',. 1ш Тогда Ьр „=[с21 (1-1-Л)+Ли',[ Выразим и1 через основные параметры насоса е111Л из = 60 Принимая Р,=Р,, и выражая Р,.
в метрах, находим по формуле (1Х. 83) е л Р1=Р1,=йо после чего 3/ з и, — А,~ / — и= — о)'ДАР Г 12 60 $ л 60 , з из ( — о) У РРРР (1Х.113) Выразим теперь се=с, через основные параметры насоса. Пренебрегая диаметром втулки, 0 4 з — 2)/ Яие ф — 12 фраз 1 4 о о с, оо Ф1 (1Х. 114) с' = сз=( — ) )l ((~ио)е. 4 1 1 (, о2) о (1Х.115) Подставив полученные выражения для ио и сз в формулу (!Х. 112), получим тс2 — (1)й) ~( — ) +[ 2) ~э (1Х.116) др „=ъ(г)и)2 (1+Л) —, +Л вЂ” ' (!Х. 111) 471 метры насоса, а именно через число оборотов и объемный расход насоса.
Прежде всего напомним, что где з (1+)г)1 — з~ +1~ — в) . Величина е зависит от констРУк- 1 Фгкккз 60 ции насоса. Подсгавим полУченное выРажение длЯ аР вв 1фоР- мула (1Х.117)] в уравнение (1Х.109) з 2л или з Рвк Рз ~ з )~ (Опв)з т т 2л Обозначим ~ — "" Н„и ~' Н„выразив их в метрах столба жидкости. Тогда з Н вЂ” Н, > — )IЯгзв)' . (1Х.118) Обычно это уравнение разрешают относительно произведения п)Я, для чего его нужно возвести в степень —. 3 Кроме того, величина разности напоров по традиции выражается в виде ° вк О.к 1О Проведя указанные преобразования формулы (1Х. 118), получим з з и'~Я~( ( ~ 10) ( '* ') ° (1Х.
119) з Величина г1 — 10) называется критическим коэффиг1иентом /2в т 4 1з кавитаг1ии с„„Он определяется опытным путем, так как его величина зависит от значений экспериментального коэффициента 1к, а также ве- личин Йз и 9ь различных для различных насосов. Чем больше величина коэффициента кавнтации, тем большее при прочих равных условиях может быть допущено число оборотов на- соса. Опытные значения коэффициента кавитации с лежат в преде- лах с, =800 — 1100 и зависят от конструкции входа в насос.
Для насосов обычной конструкции этот коэффициент имеет величину, равную с„,=900, Уравнение( 1Х. 119) и используется для расчета максимально до- пустимого числа оборотов насоса. С этой целью выразим его в виде (1Х.120) Легко видеть, что максимально допустимое число оборотов в насосах ЖРД будет меньшим для насоса окислителя, так как объемный расход его всегда больше, чем объемный расход топлива, а значение критического коэффициента кавитации меняется в узких пределах. Кроме того, для низкокипящих окислителей величина Н, получает относительно высокое значение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
