Проектирование и CFD-расчет насоса окислителя жидкостного ракетного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.454.2

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И CFD-РАСЧЕТ НАСОСА ОКИСЛИТЕЛЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Д. В. Малов, Л. С. Шаблий

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева Российская Федерация, 443086, г. Самара, ул. Московское шоссе, 34 E-mail: Animaggg@yandex.ru

Проведено проектирование и CFD-расчет насоса окислителя жидкостного ракетного двигателя. Произведено сравнение с аналитическим расчетом.

Ключевые слова: CFD-моделирование, жидкостный ракетный двигатель, насос окислителя, давление.

DESIGN AND CFD SIMULATION OF LRE OXIDIZER PUMP

D. V. Malov, L. S. Shabliy

Samara National Research University 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086, Russian Federation E-mail: Animaggg@yandex.ru

The research focuses on design, modeling and CFD calculation of the oxidizer pump of a liquid rocket engine; the analytical calculation is compared to the obtained data.

Keywords: CFD modeling, liquid rocket engine, oxidizer pump, pressure.

Гидравлические процессы, происходящие в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД), являются предметом пристального внимания инженеров-исследователей, так как они во многом определяют работоспособность, эффективность и надежность двигателя [1]. Применение компьютерных технологий при создании ТНА и его элементов позволяет автоматизировать процесс разработки, повысить качество проектируемых изделий, сократить сроки их создания и т. д. В данной работе проводилось проектирование и поверочный СРБ-расчет насоса окислителя. Прототипом данного насоса послужил насос окислителя ТНА двигателя НК-33.

На первом этапе по методике теории и расчёта лопаточных машин [2-4] был спроектирован насос окислителя, в том числе получен профиль его проточной части (рис. 1).

Рис. 1. Геометрия проточной части насоса окислителя

Геометрические и сеточные модели насоса были построены для каждого элемента насоса отдельно. Для лопаточных элементов использовался программный модуль ANSYS БМевеп. В нём задавались все

параметры лопаточных венцов: углы закрутки шнека, толщина лопаток, высота лопаток и т. д. Геометрия нелопаточных элементов насоса, такие как входное и выходное устройства, формировалась с помощью программы SolidWorks. Далее создавалась сеточная модель: для лопаточных элементов - с помощью сет-когенератора ANSYS TurboGrid, для нелопаточных -ANSYS Meshing. Затем все элементы были собраны в единую проточную часть в препроцессоре модуля CFX (см. рис. 1) для гидродинамического расчёта. Основные граничные условия этого расчёта приведены в табл. 1. Однако не все проектные параметры использовались в качестве граничных условий. Например, давление на выходе, являющееся основным проектным параметром, не задавалось в качестве граничных условий, а наоборот, рассчитывалось по CFD-модели, в этом и заключается суть верификации (проверки) проектирования (рис. 2).

Рис. 2. Расчётная модель насоса

В препроцессоре также были заданы свойства рабочего тела (жидкий кислород). Для формирования

Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов

единой проточной части задавались интерфейсы для передачи параметров потока между движущимися и неподвижными элементами [5].

Основные параметры насоса

Таблица 1

Параметр Значение

Частота вращения вала первой ступени, п1 3500 об/мин

Частота вращения вала второй ступени, п2 17200 об/мин

Полное давление рабочего тела на входе в насос, рвх 350 кПа

Массовый расход, ПгГ 452,8 кг/с

Далее были созданы расчётные зоны. Переход потока от элемента к элементу задавался интерфейсами. В каждом интерфейсе указывались в качестве первой стороны (Side 1) крайнее сечение элемента, из которого поток выходит, а в качестве второй стороны (Side 2) - первое сечение элемента, в который поток входит.

Далее создавались граничные условия на входе и выходе из насоса. На входе в подвод задавалось полное давление 350 кПа, на выходе массовый расход 452,8 кг/с. Таким образом, получалась расчётная

модель. Решение производилось путём многочисленных итераций и происходило до тех пор, пока результаты не достигли заданной в препроцессоре точности.

Далее было проведено сравнение результатов, полученных в результате СРБ-расчёта и по методике [2] на примере полного давления (табл. 2).

График распределения полного давления вдоль проточной части насоса окислителя в А№У8 представлен на рис. 3.

Максимальное расхождение значений выявлено на входе в рабочее колесо второй ступени и составляет 44 %. Это может быть связано с недостаточно качественной сеткой, сгенерированной сеткогенератором в данной области. Но можно заметить, что графики имеют схожую закономерность и на большей протяженности погрешность составляет менее 10 %, из чего можно сделать вывод о верности моделирования. Однако стоит улучшить качество рассчитываемой модели путем улучшения качества сетки.

Таким образом, был спроектирован насос окислителя и проведен его СББ-расчет. Определены значения полного давления вдоль проточной части насоса. Намечены пути улучшения расчетной модели.

Таблица 2

Сравнение давлений

Сечение Полное давление, кПа

ТРЛМ-расчёт CFD-расчёт

Вход в подвод 350 350

Вход в шнек первой ступени 330,4 282,7

Вход в рабочее колесо первой ступени 702,5 1460,2

Вход в переходный канал 2749 2104

Вход в шнек второй ступени 2309 4001,4

Вход в рабочее колесо второй ступени 10000 5607,2

Вход в отвод 26000 19812,4

Рис. 3. График распределения полного давления вдоль проточной части модифицированного насоса в АЫБУБ

Библиографические ссылки

1. Шаблий Л. С., Малов Д. В., Братчинин Д. С. СРБ-моделирование клапана пневмогидравлической системы ЖРД // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18, № 2-3. С. 972-976.

2. Матвеев В. Н., Мусаткин Н. Ф., Радько В. М. Проектный расчёт шнекоцентробежного насоса : учеб. пособие. Самара : СГАУ, 2006. 64 с.

3. Численное моделирование потоков в водородных шнекоцентробежных насосах турбонасосных агрегатов ЖРД : электронные методические указания / А. В. Сулинов, Л. С. Шаблий, В. М. Зубанов. Самара, 2013.

4. Конструирование ТНА и элементов камеры ЖРД с использованием 3Б-моделей : учеб. пособие / А. И. Белоусов, В. А. Борисов, А. М. Жижкин, А. В. Иванов. Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2008. 132 с.

5. Белоусов А. И., Иванов А. И. Расчёт осевых сил, действующих в турбомашинах : учеб. пособие. Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. 95 с.

References

1. Shabliy L. S., Malov D. V., Bratchinin D. S. CFD-simulation of the valve of the pneumo-hydraulic system of liquid rocket engines // Izvestiya of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2016. Vol. 18, № 2-3. P. 972-976.

2. Matveev V. N., Musatkin N. F., Radko V. M. Design calculation of a screw-centrifugal pump : Proc. allowance. Samara : SSAU, 2006. 64 р.

3. Numerical modeling of flows in hydrogen screw-centrifugal pumps of turbo-pump units of liquid rocket engines: electronic methodical instructions / A. V. Sulinov, L. S. Shabliy, V. M. Zubanov. Samara, 2013.

4. Designing the TNA and the elements of the LRE chamber using 3D models: Textbook. allowance / А. H. Belousov, V. A. Borisov, A. M. Zhizhkin, A. V. Ivanov. Samara : Samara Publishing House. state. aerospace. University, 2008. 132 p.

5. Belousov A. I., Ivanov A. I. Calculation of axial forces acting in turbomachines: training. Allowance. Samara: Samara Publishing House. state. aerospace. un-ty, 2011. 95 p.

© MajioB fl. B., maÖJiHH fl. C., 2017