Особенности формирования кавитационного потока в поле центробежных сил

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательных аппаратов

УДК 621.25:532.528.001. 2

М. В. Краев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННОГО ПОТОКА В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ*

Рассматриваются кавитационные явления при обтекании лопаток высокооборотного центробежного колеса насосного агрегата жидкостного ракетного двигателя. На основе полученных фотоснимков по визуализации течений уточнены форма и объемы кавитационных каверн.

Особенности работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) обусловлены явлениями, протекающими в системе подачи на переходных режимах: при запуске двигателя, останове, переходе на режим другой тяги и т. п. Например, при запуске могут возникнуть глубокие провалы давления компонентов топлива на входе в насосы, что может привести к возникновению кавитации. Анализ процессов показывает, что в динамике при быстрых изменениях входного давления напоры насосов не соответствуют их статическим срывным кавитационным характеристикам, а изменяются с некоторыми фазовыми сдвигами относительно провалов давления на входе в насосы.

Авторами работы [1] экспериментально установлено, что основной причиной наблюдаемых сдвигов являются затраты времени на образование и захлопывание кавитационных каверн в межлопаточном канале центробежного насоса. При этих явлениях изменение объема кавитационных каверн происходит исключительно за счет нарушения баланса вытекающей и втекающей в насос жидкости, а время протекания физических процессов испарения, газовыделения и конденсации по своей величине на два порядка меньше, поэтому они играют второстепенную роль в формировании рассматриваемого процесса.

При математическом моделировании учет изменения напора насоса при возникновении кавитации целесообразно представить в виде зависимости относительной величины изменения напора Н от объема ка-витационной каверны Ук:

н = / (V).

Экспериментальные исследования по визуализации кавитационного потока в каналах центробежного колеса (ЦБК) проводились при одновременном снятии напорной и кавитационной характеристик насоса с последующими измерениями объемов кавитацион-ных каверн по фотоснимкам исследуемой проточной части рабочего колеса центробежного насоса со следующими геометрическими и конструктивными параметрами: Б2 = 41,6 мм; Д = 15,5 мм; Р1л = 30°, Р2л =75°, Ь1 = 3 мм; Ь2 = 3 мм.

Испытания проводились при угловой скорости ю = 836 рад/с (п = 8 000 об/мин). В качестве рабочей

жидкости применялась вода, температура которой поддерживалась постоянной и составляла 20°. Расход рабочей жидкости при снятии кавитационной характеристики поддерживался постоянным: V = 300 см3/с.

На рисунке представлены экспериментальные точки зависимости Н = /(Ук) относительного снижения напора насоса от относительного объема кавитацион-ной каверны. Там же нанесена графическая зависимость [2]

Н = 1 + 0,059^ - 0,876 6 • V2,

полученная В. В. Пилипенко и В. А. Задонцевым при исследовании развитых кавитационных автоколебаний в системах подачи ракетных топлив ЖРД, которая удовлетворительно согласуется в области V = 0...0,7 с полученным результатом в каналах центробежного колеса, что обусловлено особенностями формирования и роста объема кавитационных каверн при режиме развитой кавитации и более раннего срыва режима работы центробежного колеса.

Н

О -I----- V.

О 02 04 06 08 1

Зависимость относительного снижения напора насоса от относительного объема кавитационной каверны

Библиографические ссылки

1. Чебаевский В. Ф., Петров В. И. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах. М. : Машиностроение, 1982.

2. Пилипенко В. В. Кавитационные автоколебания. Киев : Наукова думка, 1989.

*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта ФЦП НК-711П.1.2.1, ГК № П231 от 23.04.2010 г.

(Решетневскце чтения

M. V. Kraev

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

FEATURES OF FORMATION OF CAVITATING FLOW IN THE FIELD OF CENTRIFUGAL FORCES

The author considers cavitating phenomena at flow of blades of high-speed centrifugal wheel of the pump unit of an liquid rocket engine. On the basis of the received pictures on moving streams visualization the form and volumes of cavitating pockets are specified

© Краев М. В., 2011

УДК 621.25:532.528.001.2

М. В. Краев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ КАВЕРН В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ*

Изложены основные характеристики экспериментальной установки и методика визуализации кавитаци-онных течений в каналах центробежного колеса закрытого типа. Дан анализ характерных фотографий кави-тационных каверн при высокоскоростной фотосъемке.

В проточной части каналов рабочего колеса (РК) центробежного насоса кавитация возникает при давлении перед входом в него рвх, существенно превышающем давление парообразования при данной температуре р8. Это означает, что область минимального давления располагается внутри проточной части РК насоса. Падение давления от рвх до р8 связано с обтеканием лопаток (профильным разрежением РК) и с гидравлическими потерями на участке от входа в насос до входных кромок лопаток РК.

Кавитация может иметь разные формы. В основном [1] различают три формы паровой кавитации: пузырьковую, вихревую, присоединенную (струйную).

Пузырьковая кавитация возникает при обтекании профилей с плавными обводами.

Вихревая кавитация появляется в вихрях жидкости, например, в зоне обратных токов, в концевых вихрях, образующихся на периферии лопатки (в радиальном зазоре между шнеком и корпусом).

Присоединенная кавитация наблюдается в случае образования паровой полости, связанной с лопаткой. Для этой формы кавитации характерно наличие четкой границы раздела фаз: пара и жидкости. В центробежных насосах жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и энергоустановок летательных аппаратов применяются заостренные лопатки, поэтому в них в основном имеет место присоединенная кавитация.

При давлении на входе ркав в насосе возникает кавитация. Уменьшение давления от ркав до ркр, несмотря на развитие кавитации, не приводит к уменьшению напора и КПД насоса. Эти режимы называются режимами частичной или скрытой кавитации, и для них

характерно увеличение виброактивности насосов. При длительной работе насосов на режимах скрытой кавитации могут появиться эрозионные каверны, в виде повреждения межлопаточного канала РК.

Возможность исследования особенностей потока в каналах РК с помощью образования кавитационных каверн впервые отметил Л. А. Эпштейн (1946).

Особую ценность представляют исследования ка-витационных течений, не нарушающие структуру потока при работе насосного агрегата (НА), поэтому учитывая необходимость проведения фотосъемки при высоких угловых скоростях, имеющих место при работе НА, было использовано несколько способов съемки, которые в комбинации с применяемым методом визуализации течений позволили зафиксировать процессы, происходящие в межлопаточных каналах РК при ю= 400.. .1 000 рад/с и различных режимах работы, в том числе и при развитой кавитации в каналах РК. С этой целью создана специальная установка [2], в которой крышка корпуса насоса и покрывной диск исследуемого РК выполнены из прозрачного оргстекла. Приводом насоса является двигатель постоянного тока. Визуальные наблюдения проводились и при стробоскопическом освещении. Фотографирование процессов в межлопаточных каналах РК осуществлялось фотоаппаратом «Зенит ТТЛ» с объективом «Гели-ос 44М» при освещении объекта съемки от электрического разряда с продолжительностью свечения х = (1.4)-10-6 с, создаваемого искровой установкой. Объект съемки и фотоаппарат предварительно защищались от освещения посторонним источником света.

*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта ФЦП НК-711П.1.2.1, ГК № П231 от 23.04.2010 г.