CC BY
66Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов
УДК.62-1/9
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
В СРЕДЕ ANSYS CFX
А. С. Торгашин, А. М. Бегишев, М. И. Толстопятов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Авторы исследуют применяемость САПР Ansys СFX к расчету центробежного насоса турбонасосного агрегата (ТНА) ЖРД.
Ключевые слова: программный комплекс инженерного анализа, турбонасосный агрегат, центробежный насос.
SIMULATION FEATURES OF A CENTRIFUGAL PUMP WITHIN A ROCKET ENGINE
TURBOPUMP IN ANSYS CFX
A. S. Torgashin, A. M. Begishev, M. I. Tolstopyatov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The authors investigate the applicability of the CAD Ansys СFX to the calculation of centrifugal pump within the rocket engine turbopump.
Keywords: software engineering, turbopump, centrifugal pump.
В настоящее время многие задачи, рассматриваемые при проектировании турбонасосного агрегата (ТНА) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), в той или иной степени не поддаются аналитическому решению, либо требуют большую затрат на экспериментальную реализацию [1]. Исходя из этого, внедрение программных комплексов инженерного анализа в процесс проектирования и производства дает возможность облегчить или избежать дорогостоящие и длительные циклы разработки изделия на различных его этапах. Одним из самых мощных распространённых программных комплексов сегодня является программа АшуБ.
В пакете АшуБ с помощью СББ модуля возможно исследование широкого спектра проблем гидрогазодинамики. В данном случае работа проводилась с целью изучения процессов вращения лопаточных машин, на примере действия центробежного насоса тур-бонасосного агрегата ТНА жидкостного ракетного двигателя ЖРД, с последующим анализом процесса и определением некоторых физических параметров.
При проектировании современных ЖРД необходимо добиваться максимального удельного импульса за счёт создания значительного давления в камере сгорания, которое способна обеспечить только насосная подача топлива [2]. В ТНА ЖРД широко применяются различные типы насосов, отличающиеся направлением потока жидкости в рабочем колесе. При создании ТНА с высокими окружными скоростями и коэффициентом полезного действия КПД, с малыми размерами и массой в качестве основных используют-
ся центробежные насосы с приводом от газовой турбины. В центробежном насосе перемещение частицы жидкости в рабочем колесе происходит при увеличении ее расстояния от оси вращения. В данном случае в преобразовании энергии большую роль играют ко-риолисовы силы инерции.
Проточная часть центробежного насоса состоит из рабочего колеса, подводящего и отводящего устройств. Подводящее устройство предназначено для равномерного, с определенной скоростью подвода компонента к колесу насоса. При движении по каналу рабочего колеса жидкость приобретает большую кинетическую энергию. Рабочее колесо лопастных насосов состоит из втулки и лопастей, соединенных с ней непосредственно или при помощи одного, или двух дисков. Вследствие этого центробежные колеса насосов выполняют закрытого, полуоткрытого и открытого типов.
В закрытых колесах межлопаточные каналы замкнуты со всех сторон; у полуоткрытых колес из-за отсутствия покрывного диска межлопаточные каналы замкнуты с трёх сторон; у открытых - межлопаточные каналы разомкнуты и открыты с торцев [3]. Подвод жидкости к колесу может быть осевым, осевым с предварительным поворотом и боковым. Соответственно форма патрубка может быть цилиндрической, коленообразной или спиралевидной. Для сбора жидкости после колеса, направления ее в топливную систему ЖРД и преобразования кинетической энергии потока жидкости в энергию давления служит отводящее устройство. В общем случае отводящее устройст-
Решетневскуе чтения. 2017
во состоит из сборника диффузора и выходного патрубка.
Принято решение производить моделирование по характеристикам и чертежам, полученным в результате расчета курсовой работы: «Проектирование турбо-насосного агрегата ЖРД» по дисциплине «Теория и проектирование ТНА». Расчет насоса состоял в определении геометрических размеров элементов насоса, обеспечивающих напор при заданных расходе жидкости через насос, давлении и температуре жидкости на входе. Из основной геометрии колеса образующей проточную часть выделяют наружный диаметр колеса, диаметр втулки, ширина лопаток на входе и выходе, число лопаток. Использовалось рабочее колесо закрытого типа с цилиндрическими лопатками. Межлопаточный канал профилировался таким образом, чтобы обеспечивался заранее заданный закон изменения относительной и меридиональной составляющей абсолютной скоростей при определённом изменении толщины лопатки. Модель проточной части была создана операцией вычитания из тела цилиндрической формы, соответствующего по габаритам проточной части насоса. Также для сохранения топологии, пришлось изменять некоторые радиусы скруглений в местах переходов в области горла улитка. Далее производилось наложение расчетной сетки на геометрическую модель. В качестве исходных данных для проведения моделирования были заданы условия как относящиеся к текучей среде так и непосредственно к расчетной схеме. Свойства текучей среды заданы с максимальным приближением к свойствам несимметричного диметилгидразина НДМГ, в частности динамическая вязкость, плотность, молярная масса взятые при расчетной температуре. В качестве граничных условий использовались давление на входе и массовый расход на выходе из насоса. В процессе расчета не учитывались влияние кавитации, вибрации и шероховатости стенок насоса.
Для моделирования течения наиболее важно указать модель вязкости текучей среды. Так как мы рассматриваем моделирование течения лопаточного агрегата, то здесь имеет место турбулентное течение, для которого необходимо выбрать способ моделирования турбулентности. В список доступных моделей турбулентности включено большинство популярных полуэмпирических моделей: от самой простой одно-параметрической модели Спаларта-Алмараса до моделей с дифференциальными уравнениями для рей-нольдских напряжений [4]. Наиболее часто при решении реальных инженерных задач используется модель турбулентности к-г. В ней буферный слой не моделируется, а используются пристеночные функции. Они нужны для описания эффекта ламинарно-турбулент-ного перехода, когда в узком пристеночном слое течение можно считать ламинарным. Модель пригодна исключительно для установившихся турбулентных течений и может учесть эффект сжимаемости и естественной конвекции.
В заключение было проведено сравнение результатов аналитического расчета и результатов СББ-моде-лирования.
Полученные результаты имеют погрешности порядка 12 % процентов, возможная причина высокой погрешности может заключаться в допущениях сделанных в процессе воспроизведения геометрической модели. Как и во многих программных комплексах при визуализации результатов расчёта, можно продемонстрировать распределение полного давления. Распределение давления можно продемонстрировать как и по всему тракту насоса, так и в локальных местах модели. Результаты данной работы могут дать наглядное представление о процессах, происходящих при работе центробежного насоса ТНА ЖРД, понимание которых позволит сократить объем доводки ЖРД [5].
Библиографические ссылки
1. Лукьянова А. Н. Моделирование контактной задачи с помощью ANSYS : лабор. работа. Самара : Са-мар. гос. техн. ун-т, 2014. 52 с.
2. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1986. 376 с.
3. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей / Г. Г. Гахун, В. Б. Баулин,
B. А. Володин и др. ; под общ. ред. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989. 424 с.
4. Основы работы в ANSYS 17 / Н. Н. Фёдорова,
C. А. Вальгер, М. Н. Данилов и др. М. : ДМК Пресс, 2017. 210 с.
5. Зубанов В. М., Шаблий Л. С. CFD - Моделирование процессов в насосе высокого давления окислителя турбонасосного агрегата жидкостного ракетного // Тезисы докладов Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2017. № 5(47), ч. 1. С. 148-153.
References
1. Lukyanova A. N. Modeling contact problem using ANSYS : Laboratory work. Samara: Samar. gos. tehn. Univ, 2014. 52 p.
2. Ovsyannikov B. V., Borovsky B. I. Theory and calculation of aggregates supply of liquid rocket engines. 3-e izd., Rev. and extra. M. : Mashinostroenie, 1986. 376 p.
3. Gahan G. G., Baulin V. B., Volodin, V. A. etc. Design and engineering of liquid rocket engines. under the General editorship of G. G. Kahuna. M. : Mashinostroenie, 1989. 424 p.
4. Basics of using ANSYS software 17 / N. N. Fedo-rova, S. A. Valger, M. N. Danilov etc. M. : DMK Press, 2017. 210 p
5. Zubanov, V. M. Shabliy L. S. CFD Modeling of the high-pressure pump of the turbopump Assembly oxidizer liquid-propellant rocket // abstracts of the Bulletin of the Samara state aerospace University No. 2017. № 5(47), part 1. Р. 148-153.
© Торгашин А. С., Бегишев А. М., Толстопятов М. И., 2017
