Особенности гидродинамического обтекания межлопаточного канала рабочего колеса гидромашины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательныхаппаратов

УДК 621.455-181.4:629.78

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБТЕКАНИЯ МЕЖЛОПАТОЧНОГО КАНАЛА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ГИДРОМАШИНЫ*

Е. М. Краева

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. Е-mail: [email protected]

Рассмотрены условия безотрывного течения в диффузорном канале для ламинарного потока. Определено значение точки отрыва без учета вытесняющего действия пограничного слоя. С учетом особенности течения в криволинейных вращающихся каналах показано расчетное значение положения точки отрыва в канале рабочего колеса.

Ключевые слова: рабочее колесо, безотрывное течение, градиент давления, точка отрыва.

FEATURES OF HYDRODYNAMIC FLOW OF IMPELLER INTERBLADE CHANNEL

OF HYDROMACHINES

E. M. Kraeva

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: [email protected]

The conditions for the unseparated flow in the diffuser channel for laminar flow are considered. The value of the separation point without the displacement effect of the boundary layer is defined. Taking into account the peculiarities offlow in a rotating curved channels, the estimated value of the separation point position in the channel of the impeller is shown.

Keywords: impeller, unseparated flow, pressure gradient, separation point.

По диапазону работоспособности насосы с закрытыми РК занимают особое место среди насосов модулей КА как основной тип центробежного насоса системы жизнеобеспечения КА. Этот тип высокоресурсных насосов обеспечивает подачу теплоносителя в широком интервале рабочих температур, а следовательно, и вязкости рабочей среды.

В межлопаточном канале рабочего колеса гидромашины образующие осесимметричной поверхности линий токов параллельны основному и покрывному дискам, которые обычно перпендикулярны оси вращения. Угол наклона покрывного диска к плоскости вращения менее 10°. На этом основании принято, что ось г совпадает с осью вращения, тогда w = w2,

Wx = Wy = 0.

Для ламинарного потока с градиентом давления по длине канала безотрывное течение реализуется только при очень малой диффузорности. Условие безотрывного течения в диффузорном канале в виде уравнений изменения скорости W(x) и толщины ламинарного пограничного слоя 5(х) запишется в виде [1]

/ N-0,1

дает значение точки отрыва:

Щ(x) ^ Щ

S(х) ¿S

1+1 -

v • x

2

щ S

м J

\ 0,55

1 +1 -

v • x

2

2 S1 J

Щ S

(1)

(2)

Для линейного распределения скорости потока в канале при w(x) = w1R1lx1 решение уравнений (1) и (2)

f

x = R

1 +100

100v•x

щ S?

0

(3)

"14 /

Из (3) следует, что точка отрыва в диффузорном канале с плоскими стенками не зависит от угла раствора канала и имеет место при хотр = 1,21ЯЬ возникая при малой степени замедления потока, которая пропорциональна х"0,1[1]. Следует отметить, что значение точки отрыва в уравнении (3) получено без учета вытесняющего действия пограничного слоя.

Таким образом, даже при безударном натекании потока диффузорный характер течения обеспечивает отрыв пограничного слоя на передней стороне лопатки решетки гидромашины.

Известно, что течение в межлопаточных каналах РК имеет сложную структуру. При течении потока под действием кориолисовых и центробежных сил по шагу межлопаточного канала устанавливается градиент давления, приводящий к поперечному сдвигу потока в радиальной плоскости ^х)!dy Ф 0 . Важность

учета сдвигового течения при расчете потока в каналах закрытого РК обусловлена еще и тем, что поверхности ограничивающих дисков велики по сравнению с поверхностями лопаток.

Градиент давления в ядре потока уравновешивается действием инерционных сил, что равнозначно усилению продольного градиента давления. Для задней стороны лопатки это воздействие усугубляет отрыв,

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ МК-1371.2013.8.

Решетневскуе чтения. 2013

а для передней - уменьшает его возможность. Расчетное значение положения точки отрыва в канале РК при Wк = 1,15 без учета сдвига составляет 18 % длины лопатки. Таким образом, даже при безударном натекании потока незначительный диффузорный характер течения обеспечивает отрыв пограничного слоя на передней стороне лопатки [2].

На особый вид течения в криволинейных вращающихся каналах обращается внимание во многих работах, начиная с работ Л. Прандтля. На характеристики такого течения наряду с числом Яе оказывают влияние геометрические параметры проточной части канала, в частности отношение Dпр к радиусу кривизны Rл. С уменьшением Dпр/Rл, что характерно для узких каналов, потери на трение снижаются, особенно при ламинарном режиме течения.

Библиографические ссылки

1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. : Наука, 1969. 744 с.

2. Краева Е. М. Высокооборотные центробежные насосные агрегаты : монография / Сиб. гос. аэрокос-мич. ун-т. Красноярск, 2011. 212 с.

References

1. Schlichting. Theory of the boundary layer. Moscow: Nauka, 1969. 744 p.

2. Kraeva E.M. High-speed centrifugal pumps. SibSAU. 2011, 212 p.

© Краева Е. М., 2013

УДК 621.458

ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ РАЗГОНОМ РАБОЧЕГО ТЕЛА

М. В. Кубриков, Я. Ю. Бакулин, А. В. Гайнутдинов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 Е-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

Рассказывается о возможности совершенствования жидкостной ракетной двигательной установки путем дополнительного разгона рабочего тела за счет действия электромагнитных сил, в результате чего обеспечивается возможность значительного повышения удельного импульса двигателя и уменьшения расхода топлива.

Ключевые слова: рабочее тело, электромагнитный разгон, удельный импульс.

A LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE WITH ADDITIONAL WORKING FLUID ELECTROMAGNETIC ACCELERATION

Ia. Iu. Bakulin, M. V. Kubrikov, A. V. Gainutdinov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia Е-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

The paper shows the possibility of improving performance liquid rocket propulsion system by further acceleration of the working body through the action of electromagnetic forces. As a result it is possible to significantly increase the specific impulse of the engine and reduce fuel consumption.

Keywords: working fluid, electromagnetic acceleration, specific impulse.

Важнейшим направлением совершенствования ракетных двигателей космических аппаратов является повышение их экономичности, которая количественно оценивается с помощью удельного импульса. Повышение удельного импульса ракетных двигателей позволяет увеличить маневренные возможности космических аппаратов, повысить срок их активного существования, повысить экономическую выгоду от программ.

Электроракетные двигатели позволяют существенно увеличить удельный импульс по сравнению с традиционными жидкостными ракетными двигателя-

ми. Однако существенным недостатком этих двигателей являются малая тяга и большая потребляемая электрическая мощность.

Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания и реактивное сопло. В реактивном сопле, выполненном из диэлектрического материала, установлены два кольцевых электрода, связанных через тоководы с внешним источником электрической энергии.

Данный двигатель позволяет повысить удельный импульс за счет повышения температуры рабочего