CC BY
101
Секция ««ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯЛА И КА»
УДК 621.45.02: 621.671
М. А. Тимошева Научный руководитель - Д. А. Жуйков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАДИАЛЬНОГО УПЛОТНЕНИЯ
Представлена имитационная модель гидродинамического радиального уплотнения (ГДРУ) турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Представлены результаты работы ГДРУ на различных режимах работы.
При разработке новых ЖРД и отработке готовых изделий необходимо на основе разработанных математических моделей провести идентификацию моделей элементов двигателя и анализ работы разработанной модели в целом. На данный момент имитационное моделирование в ракетно-космической отрасли представляет большой интерес в связи с возможностью решать задачи сопряженные с проектированием и анализом работы, при этом сводя к минимуму затраты связанные с проведением испытаний и экспериментов [1]. Актуальность имитационного моделирования растет благодаря большим возможностям, предоставляемыми пользователю современными средствами вычислительной техники, позволяя реализацию гибких и адекватных реальным процессам алгоритмов на основе математических моделей
Представленная имитационная модель основана на существующей методике [2] и существенно доработана с применением современной теории пространственного пограничного слоя [3]. В целом данная модель позволяет использовать её в системах автоматизированного расчета и проектирования, в частности в системах имитационного моделирования работы агрегатов и устройств в широком диапазоне изменения режимных параметров
Гидродинамическое радиальное уплотнение (ГДРУ) (рис. 1) представляет собой диск (импеллер), на одной из торцовых поверхностей которого выполнены радиальные лопатки или пазы высотой И. Импеллер установлен в камере уплотнения с осевыми зазорами с гладкой стороны 1 и лопаточной и радиальным зазором по наружному диаметру. В осевой зазор 1 поступает жидкость под давлением Р1, с лопаточной стороны импеллера границы раздела фаз давление газа Ргаза меньше Р1.
статор
Рис. 1. Принципиальная схема ГДРУ
Цель имитационного моделирования заключается в определении радиуса границы раздела фаз при изменении режимных параметров и определения условий нарушения герметичности ГДРУ.
Новизна этой работы заключается в аналитическом определении напряжений трения, которые получены на основе теории пространственного пограничного слоя при интегрировании уравнений движения вязкой жидкости при течении у неподвижного основания и у вращающегося диска [3].
В результате работы модели были получены различные графические зависимости. График Ягаза = /(ю, Р\) (рис. 2) - показывает изменение радиуса границы раздела фаз при изменении угловой скорости вращения ротора ТНА ю и давления жидкости на входе Р1 в ГДРУ. На графике видно, что небольшие отклонения угловой скорости или давления жидкости на входе могут привести к нарушению герметичности, и как следствие могут привести к выходу из строя всего ТНА.
Рис. 2. Изменения радиуса границы раздела фаз в зависимости от угловой скорости ротора ТНА и давления жидкости на входе Р1
••• - номинальное давление;--на 20 % меньше;
----на 20 % больше
Таким образом, разработанная имитационная модель позволяет анализировать и проводить исследования модели, разработанной в современной САЭ-системе. Эта модель будет использоваться в программном обеспечении по имитации работы жидкостного ракетного двигателя, которое должно значительно сократить
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки
время, затрачиваемое на проектирование, анализ работы модели ЖРД, соответствующего заданным техническим требованиям.
Библиографические ссылки
1. Беляев Е. Н., Черваков В. В. Математическое моделирование ЖРД. М. : МАИ, 2009. 280 с.
2. Ефремов Г. В., Карасев В. П., Краев М. В. Автоматизированное проектирование турбонасосных
агрегатов : учеб. пособие / под ред. М. В. Краева ; Краснояр. политех. ин-т. Красноярск, 1989. 118 с.
3. Теория пространственного пограничного слоя в гидродинамике турбомашин / А. А. Кишкин, В. П. Назаров, Д. А. Жуйков, Д. В. Черненко ; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2013. 250 с.
© Тимошева М. А., 2014
УДК 62-251-762.89:532.5.013.12
А. А. Чернов Научный руководитель - Д. А. Жуйков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
К РАСЧЕТУ ОСЕВЫХ СИЛ АВТОМАТА ОСЕВОЙ РАЗГРУЗКИ ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Рассмотрены особенности расчета осевых сил возникающих при работе автомата осевой разгрузки, путем интегрирования уравнений течения вязкой жидкости в полости вращения.
К агрегатам летательных аппаратов предъявляются высокие требования по надежности, в том числе и на нерасчетных режимах. При проектировании автомата осевой разгрузки турбонасосного агрегата (ТНА) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) необходимо проводить моделирование течения в торцевом и цилиндрическом зазорах. Это обусловлено тем, что течение в зазорах определяет работу разгрузочного диска автомата осевой разгрузки. Применять существующие методики расчета не является корректным, ввиду чего необходимо разработать современную методику. К недостаткам существующих методик [2; 4] можно отнести не учёт вязкого трения, изменения угловой скорости потока между неподвижной стенкой и вращающимся диском, а также наличия поперечного градиента давления вдоль линии тока при вращательном течении [1; 3].
Надежность турбонасосного агрегата в значительной мере зависит от значений осевых сил, которые, в свою очередь, возникают вследствие вращения ротора турбонасосного агрегата. Так как угловая скорость ротора может достигать значений порядка 40000 оборотов, то осевые силы, возникающие на роторе, достигают высоких значений. Если осевые силы возникающие на элементах турбонасосного агрегата
не компенсируются, то это может привести к выходу агрегата из строя.
Специальные гидравлические устройства, обеспечивающие полное равновесие ротора при всех режимах работы, характеризуются отсутствием упорного подшипника и наличием специальной камеры, давление в которой изменяется в зависимости от осевого положения ротора, вследствие этого ротор насоса, выведенный из положения равновесия смещением в осевом направлении, вновь возвращается в положение равновесия. Примером такой самоустанавливающейся системы уравновешивания осевой силы является разгрузочный диск или гидравлическая пята (см. рисунок) [4].
Для определения осевых сил необходимо проинтегрировать систему обыкновенных дифференциальных уравнений движения вязкой жидкости в зазоре, с учетом напряжений трения. Интегрирование проведено по нормали к зазору и по радиусу полости, в результате чего получена следующая зависимость:
(.
я. = я
+я р^ +
V2 р
л
V
4 п2 Я3 z? у
(1)
где Я - радиус щели; т0Я - напряжение трения в радиальном направлении, р - плотность жидкости; юя -угловая скорость; V - объемный расход жидкости; х\ - зазор задней стенки разгрузочного диска.
Уравновешивание осевой силы разгрузочным диском
