CC BY
29Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательныхаппаратов
УДК 621.453
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ БЕСКОНТАКТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ НА КПД ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
А. Ю. Володин, В. П. Назаров, Я. В. Бочерикова
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: dla@mail.sibsau.ru
Рассматривается влияние геометрических размеров бесконтактных уплотнений на КПД центробежных насосов.
Ключевые слова: бесконтактные уплотнения, плавающее кольцо, зазор, агрегат, центробежное колесо.
INFLUENCE OF THE GEOMETRICAL SIZES OF CONTACTLESS CONSOLIDATIONS ON EFFICIENCY OF CENTRIFUGAL PUMPS
A. Yu. Volodin, V. P. Nazarov, Ya. V. Bocherikova
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: dla@mail.sibsau.ru
Influence of the geometrical sizes of contactless consolidations on efficiency of centrifugal pumps is considered. Keywords: contactless consolidations, floating ring, gap, unit, centrifugal wheel.
Работоспособность, надежность и экономичность турбонасосных агрегатов (ТНА) ракетных двигателей в значительной мере обеспечивается рациональным выбором уплотнительных устройств полостей с жидкостными и газовыми рабочими средами. В центробежных насосах ТНА широко применяются бесконтактные уплотнения в виде плавающих колец на переднем и заднем буртах центробежного колеса (см. рисунок).
1 2 3 ¿>
Б
Конструктивная схема бесконтактного щелевого уплотнения: I - опорное кольцо; 2 - плавающее кольцо;
3 - гайка; 4 - центробежное колесо
В период запуска агрегата осевое перемещение плавающего кольца 2 в сторону колеса 4 ограничено опорной поверхностью фиксирующей гайки 3. При работе плавающее кольцо 2 торцем прижимается давлением к поверхности опорного кольца 1. Наличие пленки жидкости в зоне контакта поверхностей колец
1 и 2 улучшает их работоспособность и зависит от параметров рабочей жидкости и соотношения сил давлений на поверхностях кольца 2. Для нормальной работы уплотнения плавающее кольцо разгружают от сил давления, выполняя в нем отверстия, скосы, проточки и т. п. [1].
Во всех случаях утечки жидкости через бесконтактные уплотнения достаточно велики и повышаются с ростом величины радиального зазора в уплотнении, который зависит от биения вала, его деформации в процессе работы, износа опоры, допусков на изготовление и наличия гарантированного радиального зазора 5.
Исходя из конструктивных и технологических условий, с учетом возможной деформации элементов щели и обеспечения надежной работы агрегата радиальный зазор изменяется в пределах 5 = 0,1...0,2 мм. Большие значения соответствуют более высоким параметрам насоса (ю, Н, V) и его ресурса. Значение рассчитывается построением размерной цепи для наиболее напряженных условий работы агрегата, что часто приводит к необоснованно большому расчетному зазору 5.
В связи с этим актуальной научной задачей является исследование влияния утечек жидкости по переднему и заднему буртам колеса, т. е. через кольцевые щелевые зазоры между цилиндрическими поверхностями плавающих колец и буртов колеса, на энергетические параметры центробежных насосов и, в частности, на КПД насосов.
Из теории ТНА известно, что КПД центробежных насосов определяется большим числом конструктивных, технологических и режимных факторов [2].
Решетневскуе чтения. 2014
Функциональную зависимость КПД (т|) от вышеуказанных отдельных факторов (д,) можно представить в следующем виде:
п = / (дX
или в развернутом виде с учетом наиболее вероятных влияющих геометрических и режимных факторов:
Ь2, в2л , СТ2' А, Ь1, в1л, СТ1, ^уп1, ^уп2 , ^, ю), где ^2' Ь2' в2л ' СТ2' К в1л ' СТ1' 8уп1, 8уп2 - обЩепринятые геометрические размеры центробежных насосов; V, ю - режимные параметры насосов.
В условиях производства ЖРД энергетические параметры насосов, такие как напор (Н), мощность (Щ, КПД (п), определяются по результатам гидродинамических испытаний (гидропролива) насосов на модельных режимах [3]. Поскольку на технологическую сборку и испытания поступают насосы, изготовленные по действующей конструкторской и технологической документации (т. е. геометрические размеры всех деталей находятся в пределах поля допуска), то получить четко выраженную зависимость КПД от меняющихся в узком диапазоне геометрических размеров проточной части довольно сложно [3]. Потому реальный научный эксперимент должен проводиться в сочетании с корреляционно-регрессионным анализом результатов измерений фактических размеров штатных деталей насосов, деталей технологической оснастки и результатов гидродинамических испытаний. При этом задача по анализу статистического материала сводится к выделению исследуемого параметра на фоне большого числа непараметрических явлений.
На основании статистических данных, полученных при серийном производстве насосов в течение длительного времени на базовом предприятии, установлено, что влияние отклонений геометрических размеров проточной части насосов на отклонения их КПД по результатам гидропролива составляет 40^60 % от общего числа конструктивно-технологических факторов [4]. Полученные статистические материалы положены в основу методики аналитического расчета отклонений напора и КПД с использованием коэффициентов влияния конструктивно-технологических параметров, которые определялись методами вычислительного и физического эксперимента.
Так, влияние на КПД отклонения размеров бесконтактных уплотнений исследовалось на эталонных насосах одной комплектации путем варьирования величины радиальных зазоров в пределах технологического поля допуска. В результате исследования установлен общий характер зависимости:
П = f (FyuL),
где FynS - суммарная площадь кольцевых зазоров
бесконтактных уплотнений по буртам центробежных колес.
Результаты исследований могут быть использованы при выборе оптимальных геометрических размеров бесконтактных уплотнений на стадии проектирования ТНА и при разработке технологических процессов сборки и испытаний центробежных насосов.
Для совершенствования разработанной методики аналитического расчета отклонений КПД целесообразно расширить номенклатуру исследуемых насосов, увеличить объем статистического материала, разработать алгоритм и программу расчета.
Библиографические ссылки
1. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей : учебник для студентов вузов / Г. Г. Гахун, В. И. Баулин, В. А. Володин и др. ; под общ. ред. проф. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989.
2. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория расчета агрегатов питания ЖРД : учеб. пособие. М. : Машиностроение, 1986.
3. Назаров В. П., Назарова Л. П., Краев М. В. Технология сборки и испытаний насосов жидкостных ракетных двигателей : учеб. пособие / под общ. ред. проф. М. В. Краева ; САА. Красноярск, 1993. 102 с.
4. Отчет о научно-исследовательской работе «Стабильность энергетических параметров насосов агрегатов двигателей летательных аппаратов» Б9-2 (заключительная). Инв. № 02200006283.
References
1. Konstrukciya i proektirovanie zhidkostnyx raketnyx dvigatelej : uchebnik dlya studentov vuzov / G. G. Gaxun, V. I. Baulin, V. A. Volodin i dr. : pod obshh. red. prof. G. G. Gaxuna. M. : Mashinostroenie, 1989, 424 s.
2. Ovsjannikov B. V., Borovskij B. I. Teorija i raschjot agregatov pitanija ZhRD. M. : Mashinostroenie, 1986.
3. Nazarov V. P., Nazarova L. P., Kraev M. V. Tehnologija sborki i ispytanij nasosov zhidkostnyh raketnyh dvigatelej : ucheb. posobie ; pod obshh. red. prof. M. V. Kraeva. SAA. Krasnojarsk, 1993. 102 s.
4. Otchet o nauchno-issledovatelskoj rabote "Stabil-nost energeticheskix parametrov nasosov agregatov dvigatelej letatelnyx apparatov" B9-2 (zaklyuchitelnaya). Inv. № 02200006283.
© Володин А. Ю., Назаров В. П., Бочерикова Я. В., 2014
