CC BY
21(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(02)
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.
Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательных аппаратов
Разряд между электродами осуществлялся от конденсатора, питаемого генератором типа УПУ-1М с регулируемым выходным напряжением от 7 до 14 кВ. Процессы зарядки и разрядки конденсатора проводились дистанционно пусковым реле высокого напряжения.
Опыты при работе РК в режиме кавитации позволили оценить распространение зоны активного потока в межлопаточных каналах РК с различной степенью диффузорности W = 1... 10.
Съемка РК через прозрачный покрывной диск и корпус насоса проводилась последовательно при снижении давления на входе в насос, вплоть до выхода каверны из межлопаточного канала колеса. Это позволило уточнить границы зоны активного потока, расходного течения и положение точек отрыва потока в каналах РК, присущих конструктивным и режимным особенностям высокооборотных НА.
В испытаниях использовались РК с размерами проточной части, соответствующими натурным насосам в широком диапазоне изменения режимных параметров НА: С2тШ2 = 0,025...0,14.
Анализ фотографий показал, что на режимах, предшествующих срыву работы НА, расходное течение обеспечивается узкой областью по напорной стороне
лопатки РК. Полученные фотографии показали наличие кавитационной зоны у задней стороны лопатки.
В каждой серии испытаний выполнялось до пятнадцати исследовательных снимков при изменении давления на входе в насос от 0,042 6 до 0,018 8 МПа вплоть до срыва работы РК. Отмечено нестабильное поведение в каналах РК кавитационных каверн в начальном периоде развития кавитационного режима обтекания. При дальнейшем снижении давления на входе в НА каверна увеличивалась, занимая значительный объем межлопаточного канала РК.
Библиографические ссылки
1. Чебаевский В. Ф., Петров, В. И. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах. М. : Машиностроение, 1982.
2. Экспериментальные исследование и математическое моделирование нестационарных турбулентных течений в агрегате подачи энергодвигательных установок летательных аппаратов : отчет по НИР НК-711П.1.2.1. Гос. контракт № 1123-1 от 23.04.2010 г., этап III, № 1210202. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011.
M. V. Kraev
Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF CAVITATING POCKETS FORMATION IN THE FIELD OF CENTRIFUGAL FORCES
The basic characteristics of experimental installation and technique of visualization of cavitating currents in channels of a centrifugal close wheel are stated. The analysis of typical photos cavitating pockets is given at high-speed photographing.
© Краев М. В., 2011
УДК 532.542:621.67-762:62
М. В. Краев, И. С. Протевень, Д. В. Майоров
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
О СТАБИЛИЗАЦИИ РАЗДЕЛА ФАЗ ЧАСТИЧНО СМОЧЕННОГО ДИСКА С ЛОПАТКАМИ*
На основе картины течения рабочей жидкости в каналах диска с лопатками представлен вариант конструктивного оформления рабочего колеса с устойчивой границей раздела жидкость—газ, с подтвержденными экспериментальными данными.
Вопросам исследования гидродинамики по торцевой поверхности вращающегося диска посвящены работы [1-3], авторы которых принимают в расчетах, что границы раздела жидкостной и газовой фаз представляют собой размытую цилиндрическую поверхность. Такой подход приводит к существенным ошибкам в расчетах осевых сил ротора агрегата [3].
Картина течения между вращающимся рабочим колесом полуоткрытого типа с торцевыми лопатками и гладким корпусом довольно сложна. Жидкость, находящаяся в области каналов РК, подвергается непосредственному силовому воздействию лопаток. При бесконечно большом числе лопаток жидкость в межлопаточном пространстве РК будет вращаться как твердое тело с окружной скоростью ю .
*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта ФЦП НК-711 П.1.2.1, ГК № П231 от 23.04.2010 г.
