Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, постановка задачи 23
1.1. Функциональное назначение малорасходных авиакосмических энергосиловых установок и систем терморегулирования 23
1.2. Требования, предъявляемые к насосам малорасходных гидравлических систем 35'
1.3. Типовые конструкции малоразмерных центробежных насосов авиакосмических установок и систем терморегулирования 39
1.4. Сравнение энергетических параметров МЦН с другими классами центробежных насосов 47
1.5. Гидродинамические основания для выделения МЦН в отдельный класс центробежных насосов 57
1.5.1. Влияние параметров пограничного слоя на течение в центробежном колесе 58
1.5.2. Модель смыкания вторичных вихрей в
малоразмерной лопаточной решётке 65
1.6. Управление течением в рабочей решётке профилей 71
1.7. Постановка задачи 74
ГЛАВА 2. Влияние факторов малоразмерности и малорасходности на параметры центробежного насоса ..77
2.1. Фактор малорасходности центробежного насоса 77
2.1.1. Кинематические параметры потока в рабочем колесе малоразмерного малорасходного центробежного насоса 82
2.1.1.1. Отношение скоростей Wi/u2 82
2.1.1.2. Коэффициент расхода c2n/u2 85
2.1.2. Значения расходного параметра q 93
2.1.3. Число Рейнольдса 94
2.2. Фактор малоразмерности центробежного насоса 98
2.2.1. Коэффициенты масштабирования 98
2.2.2. Аналитическое условие кинематического подобия при масштабировании проточной части 100
2.2.3. Энергетические параметры 103
2.2.3.1. Напор насоса 104
2.2.3.2. Расход рабочего тела через насос 108
2.3. Потери энергии при масштабировании насоса 111
2.3.1. Гидравлические потери 112
2.3.2. Объёмные утечки рабочего тела 117
2.3.2.1. Диспропорциональное масштабирование
щелевого уплотнения насоса 122
2.3.3. Потери на дисковое трение 128
ГЛАВА 3. Модель течения жидкости в малоразмерном рабочем колесе 131
3.1. Визуализация структуры потока в МРК 132
3.1.1. Интерпретация результатов визуализации 137
3.2. Зоны отрыва потока в закрытых МРК 142
3.3. Вторичные течения в закрытых МРК 149
3.3.1. Области существования вторичных
течений в закрытых МРК 149
3.3.2. Интенсивность вторичных течений вдоль дисков закрытых МРК 152
3.4. Построение моделей течения в МРК 156
3.4.1. Модель течения в закрытом МРК 156
3.4.2. Модель течения в полуоткрытом МРК 162
3.5. Гидродинамический принцип оптимизации проточной формы каналов МРК 166
3.5.1. Анализ условий смыкания вторичных вихрей в МРК 166
3.5.2. Оптимизация геометрии МРК с учётом основных гидродинамических факторов течения 176
ГЛАВА 4. Описание экспериментальных установок 185
4.1. Экспериментальные стенды и установки для исследования МЦН ... 186
4.2. Геометрия проточной части экспериментальных МЦН 199
4.3. Методика проведения исследований энергетических характеристик МЦН 208
4.4. Анализ погрешностей системы измерения стенда 210
4.4.1. Статистическая обработка экспериментальных
данных по энергетическим характеристикам МЦН 213
4.5. Методика обработки результатов визуализационных испытаний 217
ГЛАВА 5. Энергетические параметры МЦН 222
5.1. Зависимость напора и кпд МЦН от расхода рабочего тела 223
5.2. Влияние геометрии закрытого РК на характеристики МЦН 224
5.2.1. Относительный диаметр 228
5.2.2. Ширина РК на выходе 232
5.2.3. Угол лопаток на выходе РК 235
5.2.4. Число лопаток 239
5.3. Влияние режимных параметров на характеристики МЦН 241
5.3.1. Вязкость рабочего тела 241
5.3.2. Число Рейнольдса 242
5.4. Баланс энергии 247
5.5. Выводы 251
ГЛАВА 6. Повышение эффективности работы мцн с помощью выравнивающих перегородок 253
6.1. Постановка задачи 253
6.2. Опыт применения ВП в диффузорах и решётках профилей 258
* 6.3. Экспериментальные исследования влияния коэффициента
сопротивления ВП на гидродинамические параметры течения 263
6.3.1. Коэффициент сопротивления ВП 264
6.3.2. Коэффициенты сопротивления диффузоров с сетками 270
6.3.3. Демпфирующие качества ВП 273
6.4. Модель течения в межлопаточных каналах с ВП 277
6.4.1. Визуализация течения в РК с ВП 277
6.4.2. Влияние ВП на отрыв потока в РК 282
6.4.2.1. Характер распределения линий тока вокруг зоны отрыва 282
6.4.3. Гидродинамическая цель установки ВП в межлопаточные .каналы РК 289
6.4.4. Влияние ВП на силовое поле в зоне косого среза межлопаточных каналов 292
6.4.5. Оценка уровня отклонения потока под действием ВП, установленной в РК 294
6.5. Энергетические характеристики МЦН с ВП 302
6.5.1. Зависимость энергетических характеристик МЦН от радиуса установки ВП в РК 302
6.5.2. Напор насоса с РК, на периферии которого установлена ВП.. 306
6.5.3. Кпд насоса с РК, на периферии которого установлена ВП 309
6.5.4. Повышение антикавитационных качеств насоса с помощью ВП 312
6.6. Выводы 315
ГЛАВА 7. Расчет основных конструктивных параметров мцн. описание разработанных конструкций 317
7.1. Алгоритм расчёта РКМЦН 317
7.1.1. Уровень повышения эффективности МЦН СТР при реализации предлагаемых методов оптимизации проточной части .326
7.2. Описание разработанных конструкций насосов и модельных гидромашин 333
7.2.1. Конструкции насосов с устройствами управления потоком... 333
7.2.2. Гидравлический привод к искусственному желудочку сердца 334
7.2.3. Модельные гидромашины 339
Заключение 343
Библиографический список
- Функциональное назначение малорасходных авиакосмических энергосиловых установок и систем терморегулирования
- Кинематические параметры потока в рабочем колесе малоразмерного малорасходного центробежного насоса
- Визуализация структуры потока в МРК
- Экспериментальные стенды и установки для исследования МЦН
Введение к работе
Миниатюризация энергетических систем авиакосмического назначения, совершенствование авиационных топливных систем, интенсификация теплообмена путём принудительного расходного течения теплоносителя в циркуляционных системах терморегулирования КА, привели к росту потребности в малорасходных насосах с давлением на выходе рвш 0.02 Мпа и коэффициентом расхода с2т 0.1.
Подача рабочего тела в гидравлических контурах таких систем авиацион- I ного и космического назначения, как системы:
• подачи топлива в ГТД самолёта;
• подачи топлива в ЖРД малой тяги КА;
• терморегулирования КА;
• подачи воды в воздухозаборники ГТД;
• охлаждения бортовой аппаратуры самолёта;
• балансировки самолёта в полёте;
• распыления химических веществ с борта самолёта
чаще всего обеспечивается за счёт работы малоразмерных центробежных насосов (МЦН) [17, 19, 31, 35, 39, 64, 72, 78, 79, 86, 88,112,113, 121,125, 129,137, 182,188]. f Кроме авиационно-космической техники МЦН широко применяются в
системах наземного базирования [22,23,28,61,63,97,116,126,131,184,214]:
• вспомогательного искусственного кровообращения;
• охлаждения ЭВМ;
• захолаживания маломощного реактора;
• охлаждения камеры рефрижератора;
• кондиционирования воздуха.
Основными преимуществами центробежных перед другими типами насо- I сов являются:
возможность обеспечения необходимого сочетания напора и расхода рабочего тела при заданной угловой частоте вращения ступени и потребных режимах функционирования энергетических систем;
• устойчивость работы во всем диапазоне режимов эксплуатации;
• простота конструкции и низкая стоимость производства;
• высокая надежность эксплуатации по сравнению с объёмными насосами из-за отсутствия пар трения.
МЦН относятся к классу малорасходных нагнетателей. Для согласования гидравлических характеристик МЦН и трактов энергетических систем авиакосмического назначения разработчики вынуждены осуществлять процесс миниатюризации конструкций. При числах оборотов n= (3...10)-103 об/мин требуемый напор обеспечивается рабочим колесом (РК) центробежного насоса с диаметром D2, не превышающим 50 10" м, что и позволяет классифицировать эти насосы, как малоразмерные.
Значительный вклад в области малорасходных центробежных насосов различного назначения внесли Р.Б. Абрамович, Л.С. Аринушкин, Э.А. Василь-цов, Е.А. Глозман, В.В. Двирный, В.И. Думов, А.А. Кишкин, М.В. Краев, Л.Б. Лещинер, В.А. Лукин, В.В. Невелич, Б.В. Овсянников, А.Ю. Полиновский, А.С. Шапиро, А.И. Хаустов, G. Johnsson, М. Bigert и др., которые сформулировали основные представления о данном классе насосов и разработали первые инженерные методики расчёта.
Анализируя современное состояние теории и практики проектирования малоразмерных центробежных насосов можно констатировать, что особенности их гидродинамики изучены недостаточно хорошо. Аналитическая информационная база не систематизирована, отсутствуют схемы оптимизации проточных форм МЦН, базирующиеся на чётко сформулированных гидродинамических принципах организации течения в малоразмерных каналах.
Из-за того, что существует значительное несоответствие между моделями течения в полно и малоразмерных конструкциях ЦН, расчётный этап проекти рования МЦН, основанный на алгоритмах расчёта, предназначенных для полноразмерных ЦН, оказывается малоэффективным. Расчётные параметры МЦН, как правило, значительно расходятся с реальными. Определение основных размеров МЦН приходится проводить на основе трудоёмких доводочных испыта-, ний. При этом энергетические параметры (коэффициент напора и кпд) серийно выпускаемых МЦН получаются заниженными при не лучших массогабаритных показателях.
Гидродинамика потока в МЦН отличается значительным возрастанием роли сил вязкостного трения в потоке из-за пониженных значений местных чисел Рейнольдса. В потоке интенсифицируются локальные вихревые структуры, вносящие существенную неравномерность в поле скоростей и давлений рабочего тела, проходящего по каналам насоса. В результате, снижаются отклоняющие свойства решётки профилей РК, ухудшаются напорные качества, увеличиваются радиальные габариты конструкции. Теряется одно из основных преимуществ применения центробежных насосов в авиакосмических энергетиче-ских комплексах- минимальные габариты и масса.
Оценивая современное состояние дел в области исследования гидродинамики и проектирования МЦН, можно утверждать, что возникла необходимость проведения комплексных экспериментально-аналитических работ, направленных на улучшение их энергетических параметров.
Целью работы является повышение эффективности передачи энергии в МЦН, характеризуемой безразмерными коэффициентами напора и кпд, за счёт совершенствования методики расчёта, учитывающей фактор малоразмерности конструкции, а также применения устройств управления потоком в виде выравнивающих перегородок, устанавливаемых в проточную часть насоса.
Для достижения поставленной цели работа содержит.
• Теоретическое исследование влияния факторов малоразмерности и пониженных значений коэффициента расхода C2m на кинематические параметры потока в проточной части центробежного насоса, а также варианты целесообразного изменения геометрии рабочего колеса в процессе его миниатюриза дни.
• Описание физической модели потока в РК МЦН. Выявление доминирующих гидродинамических факторов, снижающих эффективность работы МЦН, а также теоретическая оценка уровня их влияния на течение в межлопаточных каналах малоразмерного рабочего колеса. Обоснование гидродинамических принципов оптимизации геометрии РК МЦН.
• Экспериментальное исследование энергетических параметров МЦН. Получение обобщающих зависимостей, обеспечивающих достоверное аналитическое описание напорных и кпд-характеристик, упрощающих создание алгоритма оптимизации геометрии проточной части МЦН.
• Анализ целесообразности повышения эффективности рабочего процесса в МЦН методами теории управления пограничным слоем.
• Экспериментальное исследование энергетических характеристик МЦН с ВП. Разработка методики применения устройств мелкомасштабной тур-булизации потока в виде ВП в проточной части МЦН.
• Разработка усовершенствованных конструкций МЦН, а также модельных гидромашин, предназначенных для проведения экспериментальных исследований структуры потока в каналах малоразмерных лопаточных машин.
Подтверждением актуальности тематики стало проведение исследований под научным руководством автора в рамках 3-х научно-технических программ Минобразования РФ в 2000...2004 гг.:
• "Научные исследования высшей школы в области транспорта", раздел 5.2. "Транспортные ракетно-космические системы", проект 005.5.2.02.01.09.
• "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" подпрограмма 205 "Транспорт", раздел 205.02 "Транспортные ракетно-космические системы", проект 205. 0.2.01.028.
• "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" подпрограмма 204 "Технология живых систем", раздел 204.03 "Биомедицинская техника жизнеобеспечения человека", проект 204.03. 02.066.
Методы исследования. Основные результаты-в работе получены с помощью теоретического анализа, физического эксперимента и статистических методов обработки информации. Оценка особенностей гидродинамики течения в малоразмерных каналах лопаточных машин при пониженном уровне относительных скоростей проведена на основе методов теории подобия и гидродинамики течений в решётках профилей лопаточных машин. Физический эксперимент проведён на основе визуализации течения в межлопаточных каналах рабочего колеса МЦН и определении энергетических характеристик исследуемого класса насосов в широком диапазоне геометрических и режимных параметров. Экспериментальные данные подвергались статистической обработке с помощью пакета соответствующих компьютерных программ Mathcad, Exel и др.
Научная новизна работы состоит в следующем.
• Разработана физическая модель течения в межлопаточньгх каналах малоразмерного РК центробежного насоса, учитывающая доминирующее влияние факторов малоразмерности и малых коэффициентов расхода на структуру и кинематические параметры потока.
• Получены, на основе методов теории подобия, аналитические зависимости параметров ЦН от коэффициентов масштабирования геометрических и режимных параметров насоса. Проведено теоретическое исследование условий диспропорционального масштабирования межлопаточных каналов РК в ради-ально-окружной и меридиональной плоскостях в процессе уменьшения его размеров.
• Установлены опытным путём регрессионные зависимости статических энергетических параметров МЦН от. безразмерных геометрических и режимных комплексов, используемых при проектировании центробежных насосов.
• Сформулированы, на основе модели разноэнергетических зон потока, критерии управления течением в проточной части МЦН. Проведена классифи кация устройств управления течением с обоснованием целесообразности применения выравнивающих перегородок (ВП).
• Предложен механизм влияния выравнивающей перегородки на отклоняющие качества рабочей решётки профилей. Разработана физико-математическая модель течения в зоне косого среза малоразмерного РК, на периферии которого установлена ВП.
• Впервые опытным путём получены регрессионные зависимости, описывающие влияние ВП на энергетические параметры МЦН. Определены границы целесообразного применения ВП для повышения коэффициента напора МЦН. Сформулированы принципы минимизации потерь энергии от установки ВП, конструктивная реализация которых защищена несколькими авторскими свидетельствами на изобретение.
Достоверность результатов работы обеспечена:
• при теоретических исследованиях применением положений теории лопаточных машин и теории пограничного слоя;
• в экспериментальной части работы использованием современных методов визуализации течений и типовых статистических методов интерпретации опытных данных. Степень корреляционных зависимостей, характеризующих энергетические характеристики МЦН на основе экспериментальных данных, отвечала уровню значений квадрата корреляционного отношения, равного 0.986 и выше.
Физическая модель течения в межлопаточных каналах рабочего колеса МЦН разработана на основе экспериментальных исследований автора с учетом известных моделей течения в плоских и круговых решётках профилей других авторов.
Практическая ценность работы заключается в том, что повышение энергетической эффективности МЦН авиакосмического назначения позволяет уменьшить радиальные размеры и массу конструкции, а также снизить потреб- ление насосом энергии от бортовых источников питания.
Несколько рабочих колёс МЦН, элементами конструкций которых стали выравнивающие перегородки, в качестве опытных образцов использованы в проектно-конструкторской деятельности ФГУП "НПО ПМ им. МФ.Решетнёва" и предложены для модернизации существующих РК в ОАО "РКК "Энергия" им. СПКоролёва".
На уровне изобретений разработаны модельные гидромашины и координатные устройства, предназначенные для визуализации течения и измерения полей скоростей и давлений в каналах лопаточных машин. На защиту выносятся.
• Структурированная по разноэнергетическим зонам физическая модель течения в закрытом и полуоткрытом рабочем колесе МЦН.
• Гидродинамические принципы оптимизации проточной формы межлопаточных каналов рабочего колеса МЦН.
• Экспериментальные исследования зависимостей энергетических параметров МЦН от геометрических соотношений проточной формы каналов, режима течений и параметров рабочего тела.
• Обоснование целесообразности повышения эффективности МЦН путём перераспределения энергии вдоль поперечного сечения канала за счёт мелкомасштабной фронтальной турбулизации потока.
• Механизм повышения напорных качеств решётки профилей РК от действия выравнивающей перегородки, установленной в РК.
• . Методика расчёта МЦН.
Личный вклад автора. В настоящей работе представлены результаты, полученные автором, как самостоятельно, так и в составе творческих коллективов. В совместных научных работах в составе творческого коллектива: М.В. Краев, В.А. Лукин, Б.В. Овсянников, А.С. Шапиро, А.В. Жданов, А.Н. Соболев, В.П. Минеев, посвященных проблеме повышения энергетической эффективности ЦН с помощью выравнивающих перегородок, автору принадлежит участие в экспериментах, анализ полученных данных, написание статей и заявок на изобретения, а также аналитическое описание механизма действия ВП на отклоняющие качества решётки профилей. Автором идеи установки ВП на периферии РК ЦН является Овсянников Б.В.
В совместных научных работах, посвященных исследованию влияния фактора малоразмерности на параметры ЦН, в составе творческого коллектива: Б.В. Овсянников, И.Н. Каталажнова, А.А. Качалов, О.В. Мочалов автору принадлежит руководство, организация и проведение экспериментов, расчётно-аналитических работ, систематизация и обобщение полученных результатов, а также выводы.
Апробация работы. Научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских научно-технических конгрессах, симпозиумах, конференциях и семинарах: II ВНТК "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов" (г. Москва, 1981 г.), III ВНТК "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов" (г. Москва, 1986 г.), МНТК "Проблемы механики сплошной среды" (г. Комсомольск - на -Амуре, 1997 г.), ВНТК "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика" (г Красноярск, 1998...2002 гг.), 3-й международный симпозиум "Конверсия науки - международному сотрудничеству" (Сибконверс 99) (г. Томск, 1999 г.), технологический конгресс "Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения" (г. Омск, 2001 г.), МНТК "Научно-технические проблемы современного гидромашиностроения и методы их решения" (г. Санкт-Петербург, 2001 г.), отчётная конференция подпрограммы 205 "Транспорт" НТТТ Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (г. Москва -Звенигород, 2002 г.), 2-й международный симпозиум "Авиакосмические приборные технологии" (г. Санкт-Петербург, 2002 г.), МНТК "Современные информационные технологии" (г. Пенза, 2003 г.), МНТК "Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке" (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), II международный технологический конгресс "Военная техника, вооружения и технологии двойного применения в XXI веке" (г. Омск, 2003 г.), ВНТК "Прогрессивные технологии конструкции и системы в приборо-и машиностроении" (г. Калуга, 2003 г.).
Основные результаты работы докладывалась на профилирующих кафедрах КнАГТУ (1993-2003 гг), научно-технических семинарах филиала ОКБ им. П.О. Сухого (2001 г.) и РКК "Энергия" им. СП. Королёва (2002 г.).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 57 работах, включая статьи в журналах и сборниках научных трудов, одну монографию, 22 Л авторских свидетельства (патентов) на изобретение и 1 программный продукт.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, семи глав, заключения, библиографического списка и приложений. Диссертация изложена на 365 страницах, включает 206 рисунков и 70 таблиц. Библиографический список охватывает 219 литературных источников.
В диссертации теоретически и экспериментально, на основе анализа разработанной модели течения в малоразмерном РК, а также энергетических характеристик МЦН, обосновываются гидродинамические принципы оптимизации проточной формы МЦН. Совершенствование методики расчета малоразмерных центробежных насосов авиакосмического назначения произведено по следующим направлениям:
• предложен новый комплекс b2/L, регламентирующий проектирова- У ние оптимальной проточной формы каналов РК, соответствующий понятию базового геометрического соотношения, который в наибольшей степени влияет на гидродинамику потока в малоразмерных каналах РК ЦН;
• уточнены безразмерные соотношения b2, F, b2/L, обеспечивающие получение оптимальной проточной формы каналов РК. Получены новые данные по влиянию вязкости рабочего тела на энергетические характеристики МЦН.
• предложен новый критерий оптимизации конструкции щелевого уп- i лотнения МЦН-максимальное значение произведения кпд Лр Дд Значительная часть работы посвящена исследованиям повышения эффективности МЦН с помощью методов управления полями скоростей и давлений потока. Для малоразмерных насосов рекомендованы выравнивающие устройства фронтального действия в виде сеток, перфорированных перегородок, системы стержней и т.п., в общем случае, выравнивающих перегородок (ВП), устанавливаемых в межлопаточные каналы РК.
Первые эксперименты с сетками и перемычками, установленными на периферии рабочего колеса центробежного и дискового насосов, были проведены N в конце 60-х годов 20 века Б.В. Овсянниковым, А.С. Шпиро, Л.В. Неклюдо г вым, Н.С. Ершовым, А.А. Свитовым. Испытания показали, что установка ВП повышает напор насосов. На первые технические решения в этой области исследователями получены авторские свидетельства на изобретение (А.С. 240480 и А.С. 284612 (СССР)).
Применение ВП в рамках данной работы рассматривалось, как одно из перспективных направлений совершенствования МЦН, не требующего изменения габаритов конструкции и усложнения проточного тракта насоса.
С целью описания механизма действия ВП на гидродинамику течений в МЦН проведён большой объём экспериментально-аналитических работ по исследованию структуры потока в каналах с ВП, влиянию гидравлического сопротивления перегородок на потери мощности, преломление линий тока в ка- т налах РК. В рамках исследования энергетических характеристик МЦН с ВП впервые в отечественном насосостроении получены обобщающие зависимости влияния геометрических и гидравлических параметров ВП, изготавливаемых из сеток, на коэффициент напора, кпд и антикавитационные параметры МЦН.
Автор приносит огромную благодарность научному консультанту Заслуженному деятелю науки и техники РФ, профессору, д.т.н. Овсянникову Борису Викторовичу, оказавшему всестороннюю поддержку проводимым научным исследованиям, сыгравшему неоценимую и решающую роль в профессиональном становлении автора и его специализации в области гидродинамики мало- \ размерных лопаточных машин.
Функциональное назначение малорасходных авиакосмических энергосиловых установок и систем терморегулирования
Малорасходные1 гидравлические системы (МГС) с насосной подачей рабочего тела нашли широкое применение в энергетических комплексах авиакосмического назначения [39,64,72, 86,97,109,121,125,136,137,178,182,184].
В авиационных энергетических установках, таких как системы подачи топлива, балансировки центра тяжести, впрыска воды в воздушные каналы двигателя, охлаждения локатора, терморегулирования, дозаправки в воздухе, распыления химикатов, расход рабочего тела, как правило, невысок, что позволяет отнести их к классу МГС. При этом в состав нескольких МГС одного современного самолёта могут входить десятки центробежных насосов. В качестве иллюстрации по данным [19] на рис. 1.1 представлена примерная схема размещения центробежных насосов на борту гипотетического самолёта. Наибольшее число насосов применяется в топливной системе самолёта, особенности функционирования которой рассмотрим ниже.
На борту самолета топливо хранится в нескольких, отдельно размещённых баках: подвесных, консольных, фюзеляжных. Топливо поступает к двигателям, как правило, из одного, так называемого, расходного бака (поз. 1), см. рис. 1.2, в который топливо из остальных баков (поз. 2) подается центробежными насосами перекачки (поз. 5). На самолетах с несколькими двигателями для каждого из них предусмотрен собственный расходный бак. Повышение надежности топливных систем тяжелых транспортных самолетов обеспечивается дублированием или резервированием центробежных насосов.
На транспортных самолетах увеличение стреловидности крыла, в котором размещается основное количество топлива, приводит к неустойчивому положению его центра тяжести. В полёте топливные МЦН работают по специальной циклограмме, опорожняя баки в соответствии со схемой, обеспечивающей постоянство положения центра тяжести самолета. У лёгких самолётов топливо подаётся насосами сначала из подвесных, затем из крайних консольных баков и, наконец, из фюзеляжных баков. На некоторых сверхзвуковых самолетах предусматривают специальные балансировочные баки и перекачивающие ЦН [19].
Для повышения высотности топливной системы — высоты полета, на которой в топливной системе не возникает кавитации, в расходные баки устанавливают подкачивающие насосы, подающие топливо в трубопроводы под давлением.
Для запуска ГТД при низких температурах применяют не основное, а вспомогательное, легко испаряющееся топливо, подачу которого осуществляют специальные пусковые ЦН.
Выбор конструктивных и компоновочных решений при проектировании топливных МЦН обусловлен условиями их применения. На рис. 1.3 представлены варианты размещения насоса в топливном баке с различными типами приводов.
Ведущей проектной организацией России в области лопастных и струйных насосов авиационного назначения является ОАО "ОКБ Кристалл". Центробежные насосные агрегаты этого ОКБ установлены на большинстве отечественных гражданских, военных самолётов и вертолётов. Топливные МЦН с приводом от гидравлических турбин, созданные в ОАО "ОКБ Кристалл", по своим энергетическим параметрам превосходят лучшие зарубежные аналоги.
В авиакосмической технике широко применяются МГС, предназначенные для поддержания заданного температурного режима отсеков, блоков и т.п. При полете в стратосфере со скоростью, соответствующей числу Маха М - 3 в течение нескольких часов температура топлива в топливных баках может достигнуть значений свыше 100 С [83]. В связи с этим на высокоскоростных самолетах для охлаждения отсеков оборудования применяют системы охлаждения. Кроме того, к указанным МГС относятся системы терморегулирования, криостатирования и термостабилизации базового функционального узла или всего комплекса, например, бортового отсека ЛА, системы кондиционирования воздуха.
Принудительная циркуляция в МГС терморегулирования при помощи насосов позволяет улучшить теплообмен в устройствах охлаждения - испарителях, теплообменниках, фазопреобразователях за счёт повышения скорости течения рабочего тела по гидравлическому контуру системы, обеспечивая более равномерное течение жидкости по охлаждающему тракту. Благодаря лучшему смачиванию жидким теплоносителем всей поверхности циркуляционного тракта, значительно повышается эффективность теплопередачи от жидкости к стенке и наоборот. В этом случае разность температур между охлаждаемой поверхностью и температурой теплоносителя становится меньше, чем при пассивной циркуляции, на (3...9)С.
В зависимости от того, изменяет теплоноситель своё фазовое состояние или нет, МГС терморегулирования бывают двух или однофазными.
В двухфазных системах изменение фазового состояния теплоносителя в режиме "жидкость-газ-жидкость" интенсифицирует теплообменные процессы в циркуляционном тракте, повышая мощность теплосъёма.
Кинематические параметры потока в рабочем колесе малоразмерного малорасходного центробежного насоса
Подставив Di = Df в формулу (2.10), получим зависимость модуля относительной скорости Wj от конструктивных и энергетических параметров работы насоса: =0.96-1-Н . (2.13) lIV-KdJVl i Для предварительной оценки значений Wi на рис. 2.3 построены линии уровня относительной скорости w(=const., как функции двух переменных V и (0. При построениях приняты следующие значения параметров, входящих в формулу (2.13): к, =0.4,гр=0.8,\/,=0.8. авт
Абсолютные значения W, на режимах работы МЦН, располагаются в диапазоне W] »(3...8) м/с (рис. 2.3). Отношение скоростей Wi/u2 зависит от соотношения геометрии РК в радиально-окружной плоскости: Di и D2. Найдём величину Wj/иг полагая, что соотношение между радиальными размерами в малорасходных центробежных насосах при их миниатюризации остаётся таким же, как в общепромышленных насосах, а выбор Di обусловлен стремлением обеспечить минимальные потери LK. Абсолютные величины W/u2 определим для диапазона значений относительного диаметра Di= Di/D2=0.4...0.6.
Анализ (2.14) позволяет констатировать, что окружная скорость іі2 для заданных V и , также как и wi, будет иметь единственное оптимальное значение. На рис. 2.5 представлена зависимость числа оборотов от расхода рабочего тела через насос для разных u2=const. При расчёте линий уровня u2=const. использовались показатели, соответствующие параметрам МЦН: ка =0.4, т]р=0.8, ВТ \]/]=0.8, Di=0.5. Характер зависимостей на рис. 2.5 указывает на то, что уменьшение расхода рабочего тела V должно сопровождаться ростом числа оборо \УОЧ п, об/мин 8000 6000 4000 0 100 200 300 V-lCV/c Рис. 2.5. Зависимость числа оборотов от расхода при U2=const (Dj = 0.5,) тов п на всех линиях уровня u2=const. Переходя к функции wi/u2=f( Di) на основе (2.10) и (2.14) получаем линейную зависимость wi/uf l.22- Dj. В таблице 2.2 представлены результаты расчёта величины W/u2 для нескольких значений Di с шагом возрастания Д Di=0.05. Таблица 2.2 Расчётные значения отношения Wi/ii D, W]/U2
Диапазон изменения расчётного отношения скоростей Wj/u2 для центробежных насосов класса МЦН составляет Wi/u2=0.489...0.734 и практически соответствует типовым значениям общепромышленных центробежных нагнетателей Wi/u2 «0.5...0.7 [174]. Это означает, что малорасходность и порождаемая ею миниатюризация центробежного насоса сопровождаются значительным снижением уровня абсолютных значений скоростей (на порядок и более), зависящих от размеров в радиально-окружнои плоскости насоса, но не приводят к аномальному изменению кинематических соотношений между относительным и переносным движением потока.
Исследуем влияние малых расходов насоса на соотношение скоростей в меридиональной и радиально-окружнои плоскостях. В качестве характерных рассмотрим скорости на выходе РК: меридиональную составляющую абсолютной СКОРОСТИ C2m: и окружную скорость иг- Их отношение в виде приведённой скорости c2m = c2m/u2 часто интерпретируется как коэффициент расхода и широко ис 86 пользуется в практике обобщения энергетических характеристик центробежных насосов.
Из уравнения Эйлера, приняв Ciu=0, величину теоретического напора при бесконечном числе лопаток Нто определим по формуле: Нто = c2ucou2 = ui(l-c2mctgp2j]) (2.16) и коэффициент теоретического напора: HT=i = kz(l-c2ractgp2jl). (2.17) Остановимся на выборе безразмерных геометрических параметров РК, необходимых для проведения дальнейшего анализа.
В расчётных схемах соотношение между геометрическими размерами Ь2 и D2, соответственно, в меридиональной и радиально-окружной плоскостях регламентируется одним из двух возможных вариантов [47]: относительной шириной канала на выходе b2=b2/D2; геометрической степенью диффузорности каналов F=F2/F[: F=D2b2lsinP2 Dib sinPu, которую условно отождествляют со степенью диффузорности равномерного беЗОТрЫВНОГО ПОТОКа В ОТНОСИТелЬНОМ ДВИЖеНИИ W=W2/\V,T.e. W= F.
В расчётах геометрии РК значение F варьируется за счёт двух параметров: р2л и Ь2. При выборе величины угла р2л разработчики не принимают во внимание оптимальное значение коэффициента F. В подавляющем числе случаев, именно подбором Ь2, при уже известном D2, обеспечивают требуемое значение F, рекомендуемое схемой оптимизации межлопаточных каналов. Получается, что степень диффузорности каналов F так же, как и относительная ширина колеса на выходе Ь2, применяется для регулирования соотношения между размерами -Ь2 и D2. Для сравнения в таблице 2.3 представлены значения Ьг и F, рекомендуемые методиками расчета центробежных нагнетателей. Условно нагнетатели разделены на два типа: высокорасходные и малорасходные.
К группе высокорасходных отнесены центробежные компрессоры и насосы общепромышленного назначения, центробежные турбокомпрессоры авиационных ГТД, а также насосы ЖРД. К группе малорасходных нагнетателей отнесены центробежные турбокомпрессоры холодильных установок, турбодетан-деры, а также МЦН.
Данные таблицы 2.3 указывают на примерно одинаковый уровень значений Ь2 и тенденцию роста F, при переходе от высокорасходных к малорасходным нагнетателям.
Исследуем зависимость с т от F и Ь2 на малорасходных режимах, произведя оценку абсолютных значений размеров в меридиональной и радиально-окружной плоскостях, используя различные сочетания энергетических параметров и геометрических соотношений. Критерием оптимизации конструкции при уменьшении V, как и ранее, выберем наименьшие потери в рабочем колесе
Визуализация структуры потока в МРК
Визуализация течения является эффективным направлением в инженерных исследованиях внутриканальных течений. При этом получение картины течения в исследуемом канале на качественном уровне в последние годы является не единственной целью эксперимента. В настоящее время наблюдаются тенденции, в соответствии с которыми визуализация не ограничивается только экспериментом, а завершается компьютерной обработкой первичной информации (технология "Image Processing"), позволяющей реконструировать мгновенные поля скорости и завихренности в исследуемом потоке. Обработка результатов эксперимента методами современной компьютерной графики становится естественным шагом в повышении информационной ценности результатов визуализации [51,216,219].
Визуализация позволяет исследователю наблюдать общую картину течения, получение которой с помощью зондов и датчиков часто оказывается крайне трудоемким процессом. В частности, визуализация отрывных зон без специальных количественных измерений уже на предварительном этапе оптимизации позволяет внести соответствующие коррективы в проточную форму канала [26]. Дальнейшее совершенствование проточной формы можно продолжить с помощью детальных экспериментов, обеспечивающих дополнительную информацию о поле течения. Таким образом, зрительные картины течения становятся ценным инструментом на первом этапе определения оптимальных гидродинамических форм каналов.
Практический опыт применения различных методов, используемых для визуализации пристенных течений, позволяет выделить в ней следующие последовательные этапы: выделение структуры потока путем использования контрастной жидкости или трассеров; визуальное наблюдение, регистрация или представление изображения на экране.
Большое распространение получил метод поверхностной визуализации, базирующийся на использовании смеси, состоящей из основы (трансформаторное, силиконовое или другое масло), красителя или пигмента (сажа, краска, диоксид титана и др.) и летучих компонентов на основе нефтесодержащих веществ (керосин) с добавлением других веществ, способствующих процессу ис 134 парения (олеиновая кислота и др.) [26, 179, 48]. Перед экспериментом такая смесь наносится на обтекаемую поверхность в виде тонкой пленки или отдельными точками по специальному трафарету. После эксперимента остается тонкий поверхностный слой красителя с четкими маркировочными жгутами (штрихами), по которым можно судить о картине предельных линий тока в направлении вектора касательного напряжения [183].
С помощью масляного покрытия можно успешно визуализировать многие детали течения: линии отрыва и присоединения, наличие особенностей те » чения типа фокусов, седел и др.
Состав смеси зависит от специфики эксперимента и физических парамет ров рабочего тела. Например, при неудачном выборе консистенции - малой вязкости масла, смесь в местах отрыва потока будет размазываться, тем самым ухудшая визуальное качество картины течения. Если вязкость масла слишком большая, то смесь будет растекаться крайне медленно, отдельные фрагменты картины могут не "проработаться" и время проведения эксперимента увеличится. При выборе оптимальной консистенции смеси удается наблюдать многие детали структуры течения (зоны отрыва и присоединения потока, наличие особых точек и т.п.), зафиксировать признаки формирования вихрей над обтекаемой поверхностью.
В зависимости от условий проведения визуализации и техники съёмок фотография может запечатлеть картину линий тока, линий отмеченных частиц или траекторий частиц. Линией отмеченных частиц называется линия, соединяющая в определенный момент времени все частицы, прошедшие через определенную точку в зоне течения, в то время как траектория есть путь, проходимый одной частицей. При установившемся режиме течения линия тока, линия отмеченных частиц и траектория совпадают. В проведённом исследовании осуществлялась визуализация картины течения на установившемся режиме.
Экспериментальные стенды и установки для исследования МЦН
В рамках экспериментальных исследований МЦН работы проводились на трёх испытательных стендах с помощью нескольких экспериментальных малоразмерных центробежных насосов, отличавшихся приводом, конструкцией вспомогательных трактов и размерами проточной части1.
Все стенды были выполнены по замкнутой гидравлической схеме в соответствии с требованиями к проведению испытаний динамических насосов [209], обладали определённой степенью универсальности, однако, в зависимости от задач исследования имели и конструктивные различия. На стендах и экспериментальных установках исследованы: структура потока в проточной части, влияние геометрических соотношений РК МЦН на энергетические и ка-витационные характеристики, замерен уровень пульсации давления рабочего тела в магистралях, гидравлическое сопротивление выравнивающих перегородок.
На рис. 4.1 показана принципиальная схема первого стенда, (позволившая определять напорные и кпд-характеристики МЦН, исследовать составляющие баланса потерь. На рис. 4.2 показана принципиальная схема второго стенда, предназначенного для пролива местных сопротивлений и определения их гидравлического сопротивления, регистрации амплитудно-частотных характеристик колебания давления в проточном тракте. На рис. 4.3 показана принципиальная схема третьего стенда, на котором проводились визуализационные исследования в межлопаточных каналах рабочего колеса насоса.
Стенды имели базовый набор элементов, в состав которого входили расходный бак (поз.1), малоразмерный центробежный насос (поз.2 с электроприводом (поз.З), система трубопроводов с запорнорегулирующей арматурой (поз.4).
Температура рабочего тела измерялась ртутным термометром, установленным на подводящей магистрали.
По условиям испытаний необходимо было обеспечить плавное регулирование чисел оборотов в диапазоне от 2-Ю3 до 12-103 об/мин. В качестве привода был выбран электрический универсальный двигатель УБ-025П, см. рис. 4.4, мощностью 600 Вт и предельным числом оборотов 15 103 об./мин. Напряжение питания привода насоса регулировалось автотрансформатором типа ЛАТР-1.
Стенды были укомплектованы набором типовых измерительных устройств, в состав которых, кроме упомянутых выше образцовых манометров с классом точности 0.4, 0.6 и датчиков расхода турбинного типа с погрешностью измерения ±0.5%, входили индуктивный датчик оборотов, цифровые частотомеры 43-32, 43-33, 43-28, обеспечившие приемлемый уровень точности измерений. Напорная и кпд-характеристики для основной группы насосов находились в процессе испытания последовательно при п=4000 об/мин, 6000 об/мин, 8000 об/мин, а для отдельных вариантов при п=2000 об/мин, 10000 об/мин. Перед каждым испытанием с помощью силоизмерительного устройства (СУ) (поз.9), рис. 4.1 производился замер мощности холостого хода.
В процессе испытаний на установившемся режиме измерялся расход, давление на входе, давление на выходе, крутящий момент, температура жидкости. Замер параметров для построения характеристик в среднем производился в 10...13 точках с примерно одинаковым шагом в диапазоне изменения расхода до Vwl.S Vp. Для визуализационных исследований стенд на рис. 4.3 был оснащён фотоаппаратом (поз.8) и лампой подсветки (поз.З).
Экспериментальные установки для испытания насосов УИН-1, УИН-2, УИН-3 представляли собой блочные конструкции, состоящие из насосной части и привода (рис. 4.5...рис. 4.7). В качестве корпуса насосной части УИН-1 использовалась конструкция МЦН терморегулирования. На установках УИН-1 и УИН-2 определено значительное число энергетических характеристик МЦН и проведены балансовые испытания.
Элементный состав установок имел следующие различия. Насосная часть установки УИН-1 (рис. 4.5) содержит корпус (поз. 1), вставленный в технологический фланец (поз. 2), закрепленный в корпусе с помощью болтового соединения (поз. 3), а также рабочее колесо (поз. 6) на валу привода (поз. 4). С целью изменения формы и размеров передней боковой пазухи насоса в корпусе (поз. 1) предусмотрена установка сменных колец (поз. 7), прикрепляемых к передней стенке корпуса (поз. 1) через уплотнительное резиновое кольцо (поз. 9), шестью винтами (поз. 8). Уплотнение полости насоса по валу с внешней стороны основного диска рабочего колеса (поз. 6) осуществляется манжетой (поз. 10), установленной в корпусе привода (поз. 4).
Похожие диссертации на Повышение эффективности малоразмерных центробежных насосов авиакосмических энергосиловых установок и систем терморегулирования
