Научная статья на тему 'Влияние утечек через боковые полости центробежного насоса на момент сопротивления рабочего колеса'

Влияние утечек через боковые полости центробежного насоса на момент сопротивления рабочего колеса Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»

CC BY
19
7
Поделиться
Ключевые слова
ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ (ЖРД) / LIQUID ROCKET ENGINES (LRE) / ТУРБОНАСОСНЫЕ АГРЕГАТЫ (ТНА) / TURBOPUMP ASSEMBLY (TPA) / ПОЛОСТЬ ВРАЩЕНИЯ / ROTATION CAVITY / ВРАЩАЮЩИЙСЯ ДИСК / ROTATING DISK / ВЯЗКАЯ ЖИДКОСТЬ / VISCOUS FLUID / МОМЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ / RESISTANCE MOMENT / ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ / SPATIAL BOUNDARY LAYER / EQUATIONS OF FLOW / MASS TURBULENT FLOW / SHEARING STRESS

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства, автор научной работы — Швецова Д.С., Королева Т.А., Жуйков Д.А., Замятина Э.В.

Рассмотрено течение вязкой несжимаемой жидкости в боковой полости вращения центробежного насоса. Приводятся теоретические результаты.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства , автор научной работы — Швецова Д.С., Королева Т.А., Жуйков Д.А., Замятина Э.В.,

THE IMPACT OF LEAKAGE THROUGH THE SIDE OF THE CAVITY OF THE CENTRIFUGAL PUMP ON IMPELLER RESISTANCE MOMENT

The paper deals with the flow of viscous incompressible fluid in the side rotation cavity of the centrifugal pump in liquid rocket engines. In addition, theoretical results are presented.

Текст научной работы на тему «Влияние утечек через боковые полости центробежного насоса на момент сопротивления рабочего колеса»

Решетнеескцие чтения. 2015

Наиболее общими для борьбы с дефектом являются следующие правила.

Использование подогреваемого рабочего стола 3Д-принтера. Это позволяет сохранять нижние слои модели равномерно подогретыми, пока печатаются верхние слои. В целом это позволяет более равномерно охлаждаться печатаемой модели. Также играет роль вид поверхности рабочего стола и чистота поверхности. Обнаружено, что пластик хорошо прилипает к горячей или теплой каптоновой ленте.

Более медленная печать. Это позволит получить более точные детали, лучшее прилипание к поверхности рабочего стола, меньшую толщину слоя и также дает напечатанной части больше времени для равномерного охлаждения.

Устранение сквозняков, обдувающих 3D-принтер, так как это может привести к неравномерности нагревания детали или же стола.

Но все же такие общие правила не могут дать гарантии исключения дефекта, вызванного деламинаци-ей, поэтому для борьбы с ней уже на стадии слайсин-га модели используется две техники (конечно, учитывая скорость развития 3D-печати, возникают все новые и новые решения, многие из которых так и остаются редко или единично применяемыми): рафт и брим [2]. Первый требует создания специальной решетки под моделью для увеличения площади соприкосновения со столом, что ухудшает качество нижней поверхности и требует большей площади стола. Второй - это создание блина под моделью, не повреждающего нижний слой, но требующего дополнительной шлифовки.

Также есть методы борьбы с деламинацией, не связанные с моделью. Например, создание постоянной температуры вокруг стола для поддержания одинаковой температуры по всему объему детали или же использование других материалов вперемешку со специальным порошком, улучшающим прочность модели в целом. Однако создание температуры увеличивает энергозатраты и сложность конструкции 3D-принтера, а специальные материалы увеличивают затраты и малоэффективны с уменьшением объема детали.

В нашей работе в качестве метода уменьшения де-ламинации мы взяли идею о поддержании постоянной

температуры детали и постепенном ее остывании после окончания печати. Данная идея была реализована при разработке нового 3Б-принтера в лаборатории на базе СибГАУ. Был изготовлен специальный корпус, позволяющий поддерживать одинаковую температуру по всему объему детали [3]. Также для тестирования в САПР SolidWorks была создана модель форсунки с заданными параметрами [4]. Была проведена сравнительная характеристика детали, изготовленной на аналогичном 3Б-принтере (только без специального внешнего корпуса), и тестирование на принтере без корпуса. По полученным данным можно сделать вывод о приросте точности изготовления моделей. Можно сделать вывод, что применение данной идеи позволяет изготовить более сложные и точные по геометрической форме модели.

Библиографические ссылки

1. URL: http://www.nasa.gov/press/2013/july/nasa-industry-test-additively-manufactured-rocket-engine-injector-0/#. VfrrEfntlBf.

2. URL: http://3dtoday.ru/blogs/harh/introduction-to-3d-printing-part-3-slicing-settings-the-use-of-two-ext/.

3. Анурьев В. И Справочник конструктора-машинострителя. В 3 т. Т. 1. М. : Машиностроение, 2001. 920 с.

4. Алямовский А., Собачкин А., Одинцов Е., Пономарев Н., Харитонович А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. М., 2005. 780 с.

References

1. URL: http://www.nasa.gov/press/2013/july/ nasa-industry-test-additively-manufactured-rocket-engine-injector-0/#. VfrrEfntlBf

2. URL: http://3dtoday.ru/blogs/harh/introduction-to-3d-printing-part-3-slicing-settings-the-use-of-two-ext/.

3. Anur'ev V. I Spravochnik konstruktora mashi-nostritelja: v 3 t. T. 1. M. : Mashinostroenie, 2001, 920 s.

4. Aljamovskij A., Sobachkin A., Odincov E., Ponomarev N., Haritonovich A. SolidWorks. Komp'juternoe modelirovanie v inzhenernoj praktike. M., 2005, 780 s.

© Торгашин А. С., Бегишев А. М., Кубриков М. В., 2015

УДК 62-251-762.89:532.5.013.12

ВЛИЯНИЕ УТЕЧЕК ЧЕРЕЗ БОКОВЫЕ ПОЛОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА НА МОМЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА

Д. С. Швецова, Т. А. Королева, Д. А.Жуйков, Э. В. Замятина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: Darya.Shvetsova@yandex.ru

Рассмотрено течение вязкой несжимаемой жидкости в боковой полости вращения центробежного насоса. Приводятся теоретические результаты.

Ключевые слова: жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), турбонасосные агрегаты (ТНА), полость вращения, вращающийся диск, вязкая жидкость, момент сопротивления, пространственный пограничный слой.

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки летательными космических аппаратов

THE IMPACT OF LEAKAGE THROUGH THE SIDE OF THE CAVITY OF THE CENTRIFUGAL PUMP ON IMPELLER RESISTANCE MOMENT

D. S. Shvetsova, T. A. Korolyova, D. A. Zhuykov, E. A. Zamyatina

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Darya.Shvetsova@yandex.ru

The paper deals with the flow of viscous incompressible fluid in the side rotation cavity of the centrifugal pump in liquid rocket engines. In addition, theoretical results are presented.

Keywords: liquid rocket engines (LRE), turbopump assembly (TPA), rotation cavity, rotating disk, equations of flow, viscous fluid, mass turbulent flow, shearing stress, resistance moment, spatial boundary layer.

Турбонасосные агрегаты современных жидкостных ракетных двигателей являются высоконагружен-ными энергетическими узлами, основной задачей которых является стабильная подача компонентов топлива в камеру сгорания на всех режимах работы двигателя и при всех условиях полета летательного аппарата. Требования по надежности, энергетической эффективности и ресурсу работы ЖРД нового поколения выдвигают в качестве актуальной научно-технической задачи снижение и прогнозирование потерь в проточных трактах насосов и турбин ТНА.

Для центробежных насосов ЖРД прогнозирование потерь обусловлено рядом конструктивных, технологических и режимных факторов, в разной степени влияющих на внутренний КПД насоса. При оценке внутреннего КПД особое значение имеет задача анализа и определения дисковых потерь, которые характеризуются моментом сопротивления вращению поверхностей колеса в результате трения при течении жидкости в торцевых полостях, щелевых уплотнениях и других участках гидравлического тракта.

Затраты мощности на трение составляют достаточно значительную величину, однако расчет дисковых потерь ввиду недостаточной изученности характера течения является весьма сложной задачей, которую необходимо решать путем численного моделирования течения.

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, проведенные различными авторами, имеют различные недостатки, связанные в первую очередь с применением эмпирических коэффициентов, а также не учитывают наличие расходной составляющей скорости в полости, т. е. утечек во вспомогательных трактах. Во-вторых, некоторые методики не учитывают сложный характер изменения основных гидродинамических параметров ядра потока жидкости между диском и стенкой, которая зависит не только от расходной составляющей абсолютной скорости ядра потока, но и от напряжений трения, среди которых имеют место напряжения от вторичных течений, вызванных поперечным градиентом давления.

Течение в полости вращения представляет собой сложное движение вязкой несжимаемой жидкости между неподвижной стенкой (корпусом) и вращающимися дисками рабочего колеса, которое в центробежных насосах идет от периферии к центру вращения. На основе дифференциальных уравнений ста-

ционарного движения вязкой несжимаемой жидкости [1] и выражений для напряжений трения для вращательных течений [2; 3] разработана численная модель расчета течения и расчетный программный модуль для автоматизирований системы гидродинамического расчета [4]. Численная модель была верифицирована по результатам экспериментальных исследований [5].

В результате численного исследования разработанной модели получена интерполяционная зависимость в виде

См = (—23,183(Яе)-1,2 + 0,35Яе -

- 1,173 Яе + 8,658) х 10-3,

где коэффициент момента сопротивления смоченного с двух сторон диска определяется выражением

[1]

cm -

2M

d

2 -d

число Рейнольдса Re — -

ю, R

коэффициент

расхода

Cw -

m

vRd

d d

где

т - массовый расход жидкости, ц - коэффициент динамической вязкости.

Таким образом, в результате численного исследования было установлено, что с увеличением утечек через торцевую полость вращения коэффициент момента сопротивления растет, но уменьшается при увеличении вращательного числа Рейнольдса. Неучет сложного характера зависимости момента сопротивления от расхода рабочей жидкости может привести к отклонению энергетических характеристик турбона-сосного агрегата от номинальных, что необходимо брать во внимание при проектировании и отработке ракетных двигателей различного назначения.

Библиографические ссылки

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

2. Вращение жидкости над неподвижным основанием по закону твердого тела / А. А. Кишкин, А. А. Зуев, Е. В. Черненко, П. Н. Смирнов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. № 1. ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2011. С. 126-131.

3. Жуйков Д. А., Кишкин А. А., Краев М. В. Течение несжимаемой вязкой жидкости в зазоре кониче-

v

Решетнееские чтения. 2015

ской щели между вращающимся диском и неподвижной стенкой // Известия вузов. Сер. «Авиационная техника». 2002. № 3. С. 76.

4. Кишкин А. А., Черненко Е. В., Жуйков Д. А., Делков А. В., Черненко Д. В. Автоматизированная система термогидрогазодинамического расчета и оптимизации параметров элементов турбомашин (ASTROPET) : Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013610054 от 09.01.2013. Заявка № 2012619448 от 02.11.2012.

5. Экспериментальные исследования течения несжимаемой вязкой жидкости в торцевой щели между вращающимся диском и неподвижной стенкой / Д. А. Жуйков, В. О. Фальков, А. А. Кишкин, А. А. Зуев,

B. П. Назаров // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. 5(45).

C. 123-126.

References

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

2. Kishkin A. A., Zuev A. A., Chernenko E. V., Smirnov P. N., [Liquid rotation over the motionless basis under the law of a solid body]: University News. North-Caucasian Region. Technical Sciences Series, 2011, Vol. 1, p. 126-131 (In Russ.)

3. Zhuykov D. A., Kishkin A. A., Krayev M. V. [Flow ofan incompressible viscous fluidin a clearancegapbetween a rotatingdisc andstationary wall]:

Izv. VUZ. Aviatsionnaya Tekhnika, 2002, Vol. 3, p. 76. (In Russ.)

4. Kishkin A. A., Chernenko E. V., Zhuykov D. A., Delkov A. V., Chernenko D. V. Avtomatizirovannaya sistema termogidrogazodinamicheskogo rascheta i optimizatsii parametrov elementov turbomashin (ASTROPET) Svidetel'stvo gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM № 2013610054 [Automated system of thermo hydro gas-dynamic calculation and optimization ofparameters of turbomachineryelements (ASTROPET)]: Certificate of state registration of the computer program No 2013610054]. SibGAU, 2013 (In Russ.).

5. Zhuykov D. A., Falkov V. O., Kishkin A. A., Zuev A. A., Nazarov V. P. [Experimental studies of incompressible viscous fluid in a front gap between rotating disk and fixed wall]: VestnikSibGAU, 2012, Vol. 5(45), p. 123-126. (In Russ.)

© Швецова Д. С., Королева Т. А., Жуйков Д. А., Замятина Э. В., 2015

УДК 621.454.2

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ

Е. Н. Ярцев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: akruks_17@bk.ru

Предлагается решение по модернизации участка сборки-сварки ракетного двигателя, направленное на повышение производительности и качества выпускаемой продукции.

Ключевые слова: технологический процесс, автоматизация, робот.

ENSURING QUALITY AND RELIABILITY OF ROCKET ENGINE BY AUTOMATIC ASSEMBLING

E. N. Yartsev

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation. E-mail: akruks_17@bk.ru

The research proposes a solution to upgrade assembly-welding of a rocket engine, aimed at increasing productivity and product quality.

Keywords: workflow, automation, robot.

Для надежной работы двигательной установки (ДУ) необходимо обеспечивать максимальную герметичность и прочность всех соединений, которые должны отвечать требованиям наименьшего значения массы и гидравлического сопротивления [1].

Соединения узлов и агрегатов ракетного двигателя (РД) подразделяют на разъемные и неразъемные.

Разъемное соединение - наиболее вероятное место негерметичности ДУ, поэтому при разработке конст-