CC BY
10Решетневские чтения
УДК 629.036
М. В. Краев, И. С. Протевень
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ*
Рассмотрена методика проведения экспериментальных исследований турбулентных течений в поле центробежных сил на рабочем колесе насоса полуоткрытого типа.
Картина течения жидкости между вращающимися рабочими колесами (РК) с торцовыми лопатками и гладким корпусом довольно сложна. В работе [1] на основании экспериментальных данных показано, что распределение давления по ширине канала диска с лопатками существенно неравномерно. Очевидно, что неравномерность давления приведет к появлению пульсационной составляющей давления в потоке между оребренным вращающимся РК и стенкой корпуса. При наличии расхода жидкости через полость вращения, пульсации давления, возникающие от вращения диска с лопатками, могут оказать существенное влияние на работу узлов и устройств, расположенных вблизи по валу насосного агрегата. Это влияние может привести к нарушению их работы, а следовательно, и всего агрегата в целом.
Приспособление для проведения испытаний
На рисунке изображено приспособление для проведения испытаний. В корпусе 1 находится РК 3, закрепленное на валу турбины. На крышке 2 приварены три переходника 4, в которые ввернуты датчики давления 5. Полость между оребренной стороной РК сообщается с полостью датчиков давления с помощью отверстия 6 диаметром 1,5 мм, длина отверстия - 2 мм. Отверстия расположены на разных радиусах Я1 = 16 мм; Я2 = 30 мм; Я3 = 40 мм от оси вала. Конструкция переходников 4 выполнена таким образом, чтобы объем полостей у датчиков давления был сведен к минимуму.
Использование в качестве привода турбины позволяет изменять частоту вращения ротора агрегата в широком диапазоне параметров.
Измерение статической составляющей и пульсаций давления производилось с помощью датчиков давления типа ДД-10 в комплекте с приборами ИВП-2. Определение угловой скорости ротора турбины производилось с помощью электромагнитного датчика.
Сигналы с датчиков расхода и оборотов подаются для установки режимов на частотомеры и на шлейфо-вый осциллограф К-121 для записи. Одновременно с записью расхода и числа оборотов ротора на ленте осциллографа фиксировалась пульсационная составляющая давления в различных точках исследуемой полости. Для согласования входного сопротивления осциллографа и выходного сопротивления прибора ИВП-2 применяли согласующие приборы. Усиление сигналов датчиков расхода и числа оборотов осуществлялось усилителем.
Испытания проводились с использованием РК наружного диаметра Дн = 78 мм и числом лопаток п = 18, при различных осевых зазорах а = 1, 2, 3 мм. Перед испытаниями при измерении величины осевого зазора а устанавливалась заданная величина осевого биения по периферии РК. Величина осевого биения изменялась от 0,15 мм до 1,05 мм.
Измерения пульсации давления производились при разной угловой скорости вращения ротора: ю = 1 047 1/с, ю = 1 570 1/с, ю = 1 884 1/с. Расход жидкости изменялся от 25-10-6 до 25-10-5 м3/с.
Анализ полученных осциллограмм позволил выявить две ярко выраженные основные частоты: роторную, обусловленную осевой неравномерностью и колебаниями ротора, и лопаточную, характерную для вихревой структуры при пульсациях давления по ширине межлопаточного канала РК. Амплитуда колебаний давления АР достигала 30 % от величины статического давления и увеличивалась с ростом угловой скорости и расхода рабочей жидкости.
Проведенные экспериментальные исследования показали что пульсации давления в поле центробежных сил имеют сложный характер. На спектр их частот и амплитуду оказывают влияние как конструктивные, так и режимные параметры. Амплитуда пульсаций давления может достигать значительных величин, что необходимо учитывать при проектировании узлов и полостей вращения вблизи вращающихся облопа-ченных дисков и РК насосных агрегатов.
Библиографическая ссылка
1. Краев М. В., Овсяников Б. В., Шапиро А. С. Гидродинамические радиальные уплотнения высокооборотных валов. М. : Машиностроение, 1976.
*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., ГК № П231 от 23.04.2010 г.
Двигатели, энергетические установку и системы жизнеобеспечения летательныхi аппаратов
M. V. Kraev, I. S. Proteven Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
EXPERIMENTAL RESEARCH OF UNSTEADY TURBULENT FLOW IN A CENTRIFUGAL FIELD
A description of the methodology for conducting experimental researches of turbulent flows in the field of centrifugal forces on the impeller pump and semi-open type is given.
© Краев М. В., Протевень И. С., 2010
УДК 621.45.04.4
М. В. Кубриков, В. Ю. Журавлев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДИАФРАГМ-РАЗДЕЛИТЕЛЕЙ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ
Представлен результат исследования устойчивости выворачивающихся цилиндрических диафрагм-разделителей топливных баков космических аппаратов на основе использования энергетического принципа.
Обеспечение бесперебойной работы и эксплуатационной надежности жидкостных ракетных двигателей можно отнести к актуальным направлениям теоретических и экспериментальных исследований в области космического машиностроения. Для решения большинства космических задач необходимы двигатели малых тяг, многократно запускаемые в условиях невесомости с увеличенным сроком их использова-ния. Случаи аварийных ситуаций жидкостных ракетных двигателей космических аппаратов возникают из-за неравномерной подачи компонентов топлива, попадания газовых пузырей в топливные магистрали. Это послужило основанием для целенаправленных научно-исследовательских работ в области проектирования и эксплуатации топливных баков.
Проектирование топливных баков с металлическими диафрагмами-разделителями с высокими эксплуатационными характеристиками, представляется актуальной проблемой. Проектирование топливных баков с участками образующей с малыми углами наклона позволит увеличить объем баков при неизменном диаметре.
Основной задачей исследования является разработка научно обоснованных методов и критериев пластического течения материала для конструкций топливных баков с выворачивающимися диафрагмами-разделителями при малых углах наклона образующей на основании энергетического принципа с использованием принципа кинематически возможных скоростей. На основе разработанной модели пластического течения материала диафрагмы-разделителя решена задача проектирования диафрагм-разделителей в составе топливных баков с участком цилиндрической образующей при необходимости гарантированного разделения жидкой и газообразной фаз.
При разработке математической модели процесса выворачивания при малых углах наклона образующей, сформулированы физические и геометрические допущения по процессу выворачивания диафрагмы-разделителя.
Для определения параметров процесса выворачивания используется экстремальный принцип для идеально пластического тела и уравнение, характеризующее минимальные свойства действительного поля скоростей:
jX„,VnidF <%s jH'dV.
Одной из основных причин, определяющих невозможность использования диафрагм-разделителей, выполненных по данным схемам, является потеря устойчивости их форм. Наиболее опасной является зона, определенная конической и цилиндрической частью.
Величина критического давления, при котором происходит потеря устойчивости цилиндрического участка диафрагм-разделителей, выполненных идеально, определяется по формуле
P =
1 КР
kES 5
Изменение длины цилиндра чрезвычайно сильно сказывается на уменьшении величины критического давления потери устойчивости.
Разработана модель определения положения срединной поверхности диафрагмы-разделителя на любом этапе выворачивания. Координаты основных точек зоны перекатывания определяются способом шагового программирования по заданному шагу смеще-
