Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные

• Название: В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
• Анкор: Жидкостные ракетные двигатели.doc
• Дата: 19.05.2017
• Размер: 4.57 Mb.
• Имя файла: Жидкостные ракетные двигатели.doc
• Тип: Документы; #7951
• Категория: Промышленность. Энергетика
• страница: 11 из 16

б)

Рис.66

Неравномерности полей давления, скорости и пульсации в межлопаточном канале крыльчатки

Объемная производительность насоса может быть определена по сле­дующей зависимости:

где: b₂ - ширина выходного сечения крыльчатки.

Радиальная составляющая абсолютной скорости на выходе из крыльчатки С_2,г определяется из выражения:

Теоретический напор насоса при бесконечном числе лопаток, с учетом, рис.67, что:

равен:

Рис.67

Треугольник скоростей на выходе из центробежного насоса

Напорная характеристика насоса представляет зависимость напо­ра от объемной производительности при постоянном числе оборотов крыльчат­ки, рис.68.



Рис.68

Напорная характеристика насоса с бесконечным числом лопаток крыльчатки

116

В центробежных насосахменьше , т.к. при увеличе-

нии наблюдается существенный рост гидравлического сопротивле-

ния жидкости в межлопаточном канале.

Поток жидкости при движении от входного сечения насоса до выхода аз диффузора испытывает неоднократные повороты, проходит сужения и рас-ширения канала, обтекает входные кромки лопаток и т.п. Во всех этих случаях теряется энергия на преодоление местного сопротивления, кроме того, всегда существуют потери на трение жидкости о стенки. Эти суммарные потери энер­гии в процессе течения жидкости через насос составляют гидравлические поте­ри.

Зависимость гидравлических потерь в насосе от объемной производи­тельности очень сложна: минимальные гидравлические потери имеют место при расчетном режиме течения жидкости, т.е. при расчетном значении объем­ной производительности насоса. Действительная напорная характеристика на­соса Нд= f ( V) представляет собой параболу, рис.69.



Рис.69

Напорные характеристики центробежного насоса

8.8. Кавитация

Кавитация - процесс образования пузырьков пара в тех зонах жидко­сти, в которых статическое давление меньше давления насыщенного пара,

завершающийся заполнением этих пузырьков жидкостью при их попадании в зону повышенного давления. Это явление наблюдается при чрезмерно больших скоростях жидкости (числах оборотов крыльчатки - n).

При высоких скоростях движения потока статическое давление может стать меньше давления насыщенных паров P_sи тогда происходит закипание

жидкости, т. е. возникает кавитация.

В колесе центробежного насоса в отношении кавитации наиболее опасным является сечение входа жидкости на лопатки колеса, где полное дав­ление жидкости минимально (насос еще не сообщил жидкости энергии), а аб­солютная и относительная скорости потока велики.

Высокие относительные скорости жидкости на входе в лопатку спо­собствуют образованию полостей пониженного давления с задней стороны ло­патки, рис.70, т.е. способствуют возникновению кавитации. Кроме того, нерав­номерное поле абсолютных скоростей при подходе к лопатке вызывает допол­нительное падение давления в струйках, где скорость будет больше средней.



Рис.70

Область пониженного давления при обтекании лопаток насоса

Кавитация нарушает нормальную работу насоса по двум причинам.

Во-первых, вследствие того, что часть объема, подаваемого насо­сом, оказывается заполненной парами жидкости, происходит падение напо­ра и уменьшение расхода подаваемой жидкости.

Во-вторых, при попадании жидкости, имеющей в своей массе паровые мешки, в область более высоких давлений пар конденсируется и заполнение объема паровых мешков жидкостью происходит с большой скоростью (до 1500—1800 м/сек), что приводит к явлению гидравлического удара в момент заполнения объема. Совокупность направленных гидравлических ударов в фо­кус полусферы паровых объемов, находящихся на поверхности лопаток, при­водит к эрозионному разрушению металла.

Различают режимы частичной и полной кавитаций. При режиме час­тичной кавитации, образовавшиеся пузырьки пара успевают «захлопнуться» во входном сечении крыльчатки. Так как кавитационная эрозия развивается по­степенно, то ввиду малой продолжительности работы насосов ЖРД указанный режим работы не опасен. Однако кавитация в межлопаточной полости насосов ЖРД (режим полной кавитации) недопустима из-за падения напора и умень­шения объемной производительности.

Изменение напора при возникновении кавитации характеризуется так называемыми кавитационными характеристиками.

Различают срывные характеристики, рис.71, а, 6, т. е. зависимость на­пора Н от давления на входеР_вх(или величиныРвх — P_s), и кавитационные характеристики, выражающие зависимость предельного давления на вхо­де Р_{вх кав}, ниже которого начинается кавитация, от числа оборотов п и объем­ной производительности V, рис.71 в. Срывные характеристики получают по результатам испытания насосов при заданных объемной производительности и числе оборотов.



Рис.71

Кавитационные характеристики: а,б — срывные характеристики; в — кавитационная характеристика

Рвх.кав =f(n. У)

Предельное давление на входе Р_вхкав, ниже которого начинается кави­тация, определяется как давление, при котором падение напора составляет 2— 3%. На основании серии проведенных испытаний строят кавитационные харак­теристики Р_вх.кав. = f (n,V), рис.71, в. Кавитационные свойства насоса надежно устанавливаются только опытным путем.

Наименьшее давление при входе на лопатки Р_тinможет быть опре­делено как разность статического давления на входе в колесо Р_вхи величины

дополнительного падения давлениявследствие образования зон пони-

женного давления и неравномерности абсолютных скоростей, т. е.



Условие безкавитационной работы:



или



Величина (Р_вх— P_s) характеризует напор, который еще может быть

использован для увеличения скорости потока без возникновения кавитации и называется кавитационным запасом.

При прочих равных условиях увеличение числа оборотов насоса п и

объемной производительности Vприводит к увеличению относительной и аб­солютной скорости потока, а, следовательно, и к увеличению опасности воз­никновения кавитации. С ростом п и Vкавитация на лопатках возникает при меньших давлениях на входе.

При расчете насосов одной из основных задач является определение максимально допустимого по условиям кавитации числа оборотов насоса при заданных значениях давления на входе и объемной производительности. Исхо­дя из условия безкавитационной работы

и проведя анализ величины составляющихполучим расчетную формулу

для определения максимально допустимого числа оборотов насоса (формула С. С. Руднева):



где: С - антикавитационный коэффициент насоса;

Н_вх - напор на входе в крыльчатку насоса;

Нs - напор, соответствующий условиям образования насыщенных паров жидкости.

Для обычных насосов С =800—1100. Для колес с высокими антикави-тационными свойствами, имеющих особые формы и лопатки специального профиля, С может достигать 2000—2200. При применении осевых или шнеко-вых преднасосов, что является одной из основных мер предотвращения ка­витации, величина С увеличивается до 3000—3100. Имеются данные, что с по­мощью преднасосов удается повысить С до значений 3500—4000.

Кавитация может быть предотвращена также наддувом баков до 2—6 ата (= 0,2 / 0,6 МПа), что обеспечивает повышение давления на входе в насос, или применением крыльчаток с двухсторонним подводом жидкости.

Антикавитационные свойства насосов зависят от их конструктивных решений (количества и длины лопаток, угла атаки и т.д.), а также от термоди­намических свойств подаваемого компонента.

8.9. Предвключенные насосы

Предвключенные насосы обеспечивают увеличение давления жидкости на входе в основной центробежный насос. Они бывают струйные и шнековые (бустерные).

Работа струйного преднасоса основана на процессе инжекции, т.е.
увеличении давления на входе в основной центробежный насос путем
подпитки поступающего потока жидкости более высоконапорной струей,
отбираемой от выхода центробежного насоса, рис.72. '



Рис.72

Схема струйного преднасоса: /—сопло; 2 входная магистраль центробежного насоса

Повышение давления во входном сечении центробежного насоса опре­деляется энергией струи, вытекающей из центрального сопла. Достоинство струйных насосов в их конструктивной простоте и отсутствии вращающихся частей. Однако коэффициент полезного действия этих насосов невысок и для обеспечения существенного повышения давления в магистрали они требуют на привод большого расхода высоконапорной струи. Струйные насосы пока не нашли применения в ЖРД в качестве основных насосов, хотя в последнее вре­мя рассматривается возможность их использования .

Шнековый преднасос - это осевой насос, состоящий из 2^х - 3^х винто­вых лопаток трапециидального сечения, рис.73.







Рис. 73

Шнековый преднасос

Шнековый преднасос не только повышает давление жидкости, но и создает закрутку потока, уменьшающую относительную скорость движения жидкости на входе. Напорность шнека составляет 3—20% от общего напора центробежного насоса.

Такой насос обладает повышенными антикавитационными свойствами по сравнению с центробежными насосами. Это достигается за счет того, что:

• 
  разница давления на рабочих и нерабочих поверхностях шнека существенно ниже, чем у лопаток центро­бежных насосов;
  
• 
  осевой подвод жидкости уменьшает возможность появления про­цесса кавитации у верхних кромок шнека.
  

8.10. Зависимость мощности и к.п.д. насоса от его объёмной производительности

С увеличением объемной производительности насоса наблюдается рост мощности насоса, рис.74, а :



Коэффициент полезного действия насоса определяется по формуле:

При увеличении объемной производительности объемный к.п.д. г|_об также увеличивается, т.к. доля утечек по отношению к расходу жидкости, пе­рекачиваемой насосом, уменьшается, рис.74, б.

Гидравлический к.п.д. с ростом объемной производительности

уменьшается, т.к. увеличивается скорость жидкости, а значит потери на трение и удар, рис.74, б.

С увеличением объемной производительности насоса доля механиче­ских потерь, по сравнению с увеличением мощности уменьшается, следова­тельно, растет, рис.74, б.

Рис.74

Зависимость мощности и к.п.д. насоса от его объёмной производительности.

8.11. Турбина ТНА

Одним из основных элементов ТНА является газовая турбина. В тур­бине потенциальная энергия продуктов сгорания из газогенератора или паров охладителя преобразуется в механическую работу турбины. Турбина предна­значена для приведение во вращение насосов ТНА. Турбина состоит из сопло­вого аппарата 1, рабочего колеса 2 с двумя рядами рабочих лопаток 3 и 4, на­правляющего аппарата 5 и корпуса турбины 6 с выходным патрубком 7, рис.75.

Первая ступень турбины представляет совокупность соплового аппара­та 1 и лопаток рабочего колеса 3, вторая образована неподвижными лопатками направляющего аппарата 5 и вторым рядом рабочих лопаток 4.

Преобразование энтальпии газового потока в механическую энергию вращения вала осуществляется в два этапа: энтальпии газового потока - в ки­нетическую энергию струи (в сопловом аппарате); кинетической энергии струи - в механическую энергию вращения вала (на рабочем колесе).

Рис.75

Конструкция турбины ТНА

Валы турбонасосных агрегатов (ТНА) работают при высоких нагрузках и больших числах оборотов. Для облегчения веса их делают полыми. Наи­большие знакопеременные напряжения в металле вала возникают на его на­ружной поверхности. При этом всякого вида резкие переходы, следы от режу­щего инструмента и другие дефекты поверхности являются концентраторами напряжений. В этих местах при работе могут образоваться трещины, что при­ведет к поломке вала. Поэтому особое внимание уделяется чистоте отделки поверхности вала с введением в некоторых случаях упрочняющих операций. Отделке подвергаются не только места под подшипники, уплотнения, посадки, но и все другие участки вала, не сопрягаемые с другими деталями.

Большие числа оборотов (10000—20000 об/мин и более) заставляют конструктора назначать очень жесткие допуски на соосность шеек и посадоч­ных мест, точность расположения осевого отверстия, разностенность и другие размеры. Малейшие геометрические погрешности приводят к неравномерному распредзелению вращающихся масс металла, что вызывает вибрации и тряску ТНА.

На рис.76 изображено два наиболее характерных типа валов: с флан­цем (а) и без фланца (б).

Наиболее ответственные валы изготовляются из высококачественной легированной стали с пределом прочности после соответствующей термиче­ской обработки 1000—1200 Мн/м²(100—120 кГ/мм²). Применяются стали 2X13, 18ХНВА, 40ХНМА, 12ХНЗА и некоторые другие.

Для менее ответственных валов используются стали типа 38ХА или сталь 45.

Диски турбин ТНА работают при больших числах оборотов, вследст­вие чего в металле возникают высокие напряжения от действия центробежных сил. Кроме того, возникают температурные напряжения от неравномерности нагрева металла диска.



б!

Рис.76

Характерные типы валов

Диски турбин изготовляют из высоколегированных сталей и сплавов, обладающих высокой прочностью и жаростойкостью: стали ЭИ415, ЭИ481, ЭИ395, Х18Н9Т, сплавы ЭИ437Б, ЭИ617 (ХН70ВМТЮ) и другие.

Форма дисков определяется из условия равнопрочности, т. е. примерно равной нагруженности металла во всех сечениях диска.

На рис.77 изображено несколько характерных конструкций дисков турбин. Диск состоит из ступицы для соединения с валом, обода для крепления лопаток и средней части, соединяющей ступицу с ободом. Нагрузка от центро­бежных сил возрастает по мере приближения к ступице, что вызывает необхо­димость выполнять среднюю часть с постепенным утолщением к ступице. Профили А и Б средней части получаются сложными, что затрудняет обработку диска. Хотя торцовые поверхности А и Б не сопрягаются с другими деталями, они должны быть выполнены точно, с высокой чистотой поверхности. Все де­фекты механической обработки в виде рисок (следов от резца) или переходов являются концентраторами напряжений и понижают механическую прочность диска. Очень большое значение имеет равномерное распределение массы ме­талла по диску.

Даже небольшие односторонние утолщения приводят к неравномерно­сти распределения массы, что ведет к неуравновешенности. При быстром вращении неуравновешенных дисков появляются недопустимые вибрации тур-


бины, которые могут привести к аварии. Поэтому при конструировании дисков задаются жесткие допуски на все размеры дисков.