Численное моделирование течения в неподвижном межлопаточном канале центробежного насоса энергетических установок летательных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036.54.063.6:621.565.93/.94

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В НЕПОДВИЖНОМ

МЕЖЛОПАТОЧНОМ КАНАЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

А. А. Неметуллаев, Д. А. Жуйков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассматривается метод численного моделирования течения в межлопаточном неподвижном канале центробежного насоса энергетических установок ЛА на основе интегрального соотношения пространственного пограничного слоя.

Ключевые слова: энергетические установки, центробежный насос, численное моделирование, интегральное соотношение, пространственный пограничный слой

NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW IN THE FIXED INTER-BLADE CENTRIFUGAL PUMPS CHANNEL POWER UNITS SPACECRAFT

А. А. Nematulloev, D. A. Zhuikov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The paper deals with the method of numerical simulation of inter-blade fixed channel centrifugal pump power units based оп integrated equations of the spatial boundary layer.

Keywords: power units, centrifugal pump, numerical simulation, integrated equations, spatial boundary layer.

Разработка современных энергетически эффективных и высоко надежных летательных аппаратов нового поколения для ракетно-космической отрасли является важной научно-технической задачей.

Турбонасосные агрегаты (ТНА) современных энергетических установок летательного аппарата являются важными высоконагруженными энергетическими узлами, основной задачей которых является стабильная подача компонентов топлива в камеру сгорания на всех режимах работы двигателя. Качественное проектирование и оптимизация агрегата возможно при наличии современных математических моделей всех элементов агрегата, позволяющих определить полей скоростей, давлений и температур в проточных трактах насосов и турбин ТНА.

Ключевой задачей построения математической модели течения рабочей жидкости в центробежном насосе (ЦН) является задача о течении в рабочем колесе насоса как основного элемента создания необходимого напора с заданным расходом представляющего собой криволинейный вращающийся плоский канал.

На первом этапе рассмотрено течение в криволинейном неподвижном межлопаточном канале, где течение разбивается на два участка: течения в ядре потока вдоль линии тока конгруэнтной цилиндрической лопатки и в пограничном слое. Решение задачи течения в ядре потока является определяющим для дальнейшего решения течения в пограничном слое, в котором будет найдены напряжения трения, которые в свою очередь учитываются при решении течения в ядре потока по определению скоростей и давления вязкой жидкости.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1

Для определения гидравлических потерь, а именно напряжений трения на поверхности канала применяется система дифференциальных уравнений пространственного пограничного слоя (1111С) в интегральных величинах на неподвижном основании [1-3] в естественной системе координат.

Определение поля скоростей основано на струйной теории лопаточных машин [3], в результате чего определяются значения всех скоростей в каждой точке координатной сетки (см. рисунок). Относительная скорость Ж - это продольная скорость ядра потока необходимая для расчета параметров 1111С. Кроме того, для численного решения системы дифференциальных уравнений 1111С необходимо определить дифференциалы входящие в эти уравнения. Для этого рассматривается баланс сил, действующий на элементарный объем жидкости в межлопаточном канале.

Расчетная схема течения в ядре потока на поверхности канала: ЦЛ - цилиндрическая лопатка постоянной высоты; ЛТЯП - линия тока ядра потока конгруэнтная ЦЛ; х, у - ортогональная, Я; а - цилиндрическая, ф; у - естественная системы координат; Ж, и - относительная и окружная скорость ядра потока

соответственно

Решение течения в ШС ведется разностно-характеристическим методом [2] вдоль известной линии тока:

- дифференциал толщины потери импульса в продольном направлении линии тока определяется

55 фФ _ N др

дф рЖ2 дф

- дифференциал тангенса угла скоса донной линии тока определяется

^_н_К2дЖ_М±1_^(ж 5** V)

йф рЖ2 дф МрЖ2 дц v V дф и дц М 5ф* 4 ' ф'

где течение в криволинейном межлопаточном канале с применением градиентной функцией изменения продольной скорости в 1111С характеризуется относительными характерными толщинами (ОХТ) - константами Н, Н, М, К, 7 [4], а напряжения трения на поверхности канала в продольном направлении определяются в зависимости скорости Ж и ТПИ

( „»» \ Ж5

т (ж, 5ф, V)

То

- п

рЖ2

V V J

где п, т от выбранного закона профиля скорости в пограничном слое [1].

На основе этой численной модели был разработан программный модуль для автоматизированной системы гидродинамического расчета [5], где проведены предварительные численные исследования.

Таким образом, рассмотренная численная модель течения жидкости в неподвижном межлопаточном канале центробежного насоса и разработанная на ее основе методика расчета параметров потока позволяет определить гидравлические потери на трение и корректно установить поле скоростей и давлений по радиусу диска, а, следовательно, определить действительный напор рабочего колеса центробежного насоса. Также программный модуль можно использовать в компьютерных моделях, имитирующих работу энергетических установок в целом на различных, в том числе переходных режимах для выполнения глубокой оптимизации и определения высоких масс энергетических характеристик агрегата.

Библиографические ссылки

1. Вращение жидкости над неподвижным основанием по закону твердого тела / А. А. Киш-кин, А. А. Зуев, Е. В. Черненко и др. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Сер. Технические науки. 2011. № 1. С. 126-131.

2. К расчету пространственного пограничного слоя при развороте потока в круговом секторе / Д. В. Черненко, Е. В. Черненко, А. А. Зуев и др. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Сер. Технические науки. 2009. № 1. С. 15-18.

3. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания ЖРД. М. : Машиностроение, 1986.

4. Степанов Г. Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. М. : Физматгиз, 1962.

5. Автоматизированная система термогидрогазодинамического расчета и оптимизации параметров элементов турбомашин (ЛЗТЯОРЕТ) : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013610054 от 09.01.2013 / А. А. Кишкин, Е. В. Черненко, Д. А. Жуйков и др. Заявка № 2012619448 от 02.11.2012.

© Неметуллаев А. А., Жуйков Д. А., 2017