CC BY
29Двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования космическиХ.аппаратов
УДК 621.45-181.4:629.78
М. В. Краев, П. В. Поветкин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
На основе анализа гидравлических качеств центробежных насосов получены значения конструктивных параметров, с учетом которых показана целесообразность применения рабочих колес разного типа.
На особый вид течения в криволинейных вращающихся каналах обращали внимание многие авторы, начиная с Л. Прандтля. На характеристики такого течения, наряду с числом Яе, оказывают влияние геометрические параметры проточной части канала, в частности отношения приведенного параметра Дпр к радиусу кривизны лопасти Ял. С уменьшением Дпр / Ял, что характерно для каналов центробежных насосов (ЦБН), потери на трение в канале снижаются, особенно при ламинарном режиме течения.
Запишем гидравлический КПД для центробежного насоса в виде
w2
I » Х-^. г 2
(1)
По диапазону работоспособности насосы с угловой скоростью до 1 000 рад/с занимают особое место среди ЦБН космических модулей как основной тип центробежного насоса системы жизнеобеспечения космического аппарата. Этот тип высокоресурсного насоса обеспечивает подачу теплоносителя в широком интервале рабочих температур, а следовательно, и вязкости рабочей среды.
Значение нижней границы по величине расхода определяется удельным вкладом гидравлических потерь Ьг при течении по каналам рабочего колеса. Принимая, что в насосах величина Ьг на расчетном режиме, с учетом шероховатости, пропорциональна коэффициенту сопротивления Хи
квадрату скорости потока wк
П = 1 - ^ = 1 - С 1г Н 2Н
(2)
где С - постоянная величина; Х - среднеинте-гральное значение коэффициента потерь на трение, Х = /(Яе; кв; £>пр).
При большой величине Х, когда второй член выражения (2) составит единицу, значение
= 0, что может быть реализовано при определенном сочетании влияющих на него факторов. Значение минимального приведенного расхода запишем в виде
— |< 9,66 ю
(Д. ^
V КД 0
(3)
При Кв =4 решение уравнения (3) даст
ю
= 4,3 • 10-6 м3,
тогда для центробежных
насосов минимальная расчетная подача составит < 45 • 10-6 м3/с. Отсюда для ЦБН микромощности (Ы = 1.. .400 Вт) с закрытыми РК диапазон работоспособности с приемлемыми энергетическими характеристиками по расходу будет равен
— = (45...300)-10-6 м3/с, а величина — < 1,5 • 10-7 м3.
ю
Экспериментальные исследования ЦБН с полуоткрытыми РК в широком диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров [1], а также анализ выполненных конструкций ЦБН, полученных в результате неоднократной доработки (более двадцати типоразмеров), показали целесообразность применения ЦБН с РК полуоткрытого и открытого типов [2]. Отсутствие покрывного диска у полуоткрытого РК приводит к изменению характера гидравлических потерь на трение о поверхности, ограничивающие межлопаточный канал.
С целью повышения экономичности ЦБН с закрытым РК, проектируемого на малые расходы, целесообразно снижать угловую скорость ротора
и обеспечивать режим работы при — > 1,5 • 10-7 м3.
ю
Таким образом, при меньшем удельном расходе, вплоть до нулевого, целесообразно применение ЦБН с РК полуоткрытого и открытого типов.
Библиографический список
1. Краев, М. В. Гидродинамические параметры проточной части высокооборотного центробежного насоса / М. В. Краев, Е. М. Краева // Вестник СибГАУ. Вып. 1 (16). 2008. С. 95-97.
2. Краева, Е. М. Высокооборотные насосы аэрокосмических систем малого расхода : монография / Е. М. Краева ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005.
Фешетневскцие чтения
M. V. Кгaev, P. V. Povetkin Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
ESTIMATION OF CENTRIFUGAL PUMPS SERVICEABILITY
Values of design parameters of hydraulic centrifugal pumps are presented on the basis of their hydraulic characteristics. The practicability to apply open-type impellers of different types is demonstrated.
© Краев М. В., Поветкин П. В., 2009
УДК 532.526; 536.244
В. М. Краев, Д. С. Янышев
Московский авиационный институт (Государственный технический университет), Россия, Москва
К ВОПРОСУ О РАСЧЕТЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ С ПЕРЕМЕННЫМ РАСХОДОМ В КАНАЛАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ, С НИМИ СВЯЗАННЫХ
Приведен анализ некоторых полученных на сегодняшний день результатов по нестационарным течениям в каналах. Найдена оптимальная с точки гидродинамического сопротивления форма кривой ускорения потока. Дано аналитическое решение уравнения Л. Прандтля для коэффициента трения.
Исследования переходных тепловых и гидродинамических процессов приобрели к настоящему времени особую актуальность. Результаты таких исследований широко используются при разработке новых образцов техники. Однако таких результатов на сегодняшний день очень мало, и часто используется подход так называемого квазистационарного приближения, который заключается в том, что влиянием нестационарности на такие интегральные характеристики, как коэффициенты трения и теплоотдачи, пренебре-гается. Опыт, однако, показывает, что во многих случаях такой подход оказывается несостоятельным.
Экспериментальные исследования показали существенное отличие чисел Ки и коэффициентов трения X от их квазистационарных величин в случае замедления или ускорения потока в круглых трубах [1]. В частности из этих данных можно сделать вывод, что ускорение потока приводит к существенному росту Ки и X, а в случае замедления - к падению указанных характеристик по сравнению с квазистационарными. Результаты численных исследований, приведенные в [2; 3], прямо противоположны результатам экспериментальных исследований. Одной из возможных причин этого может являться тот факт, что авторы работ [2; 3] рассматривали лишь стабилизированный участок течения.
Расчеты, проведенные в Московском авиационном институте (МАИ), учитывали начальный участок течения. Они, в общем, совпадают с результатами экспериментов [1], подтверждая тем самым их состоятельность. На основе расчетов был сделан вывод о неприменимости к моделированию нестационарного течения моделей вы-сокорейнольдсовского класса. В МАИ была использована низкорейнольдсовская модель SST Ментера.
Опираясь на вышеизложенные результаты, можно сделать вывод, что нестационарность, вызванная изменением расхода газа в канале, существенно влияет на сопротивление канала. При этом можно подобрать кривую изменения расхода, которая минимизировала бы нестационарные эффекты.
В работе [1] в качестве основного параметра, характеризующего нестационарность процесса, был выбран следующий критерий:
K *=LG Id
g G of '
(1)
где G - расход; т - время; d - диаметр трубы; g - ускорение свободного падения.
Решить задачу оптимизации можно минимизировав среднеквадратичное значение критерия (1).
Эта задача представляет собой классическую задачу минимизации функционала:
