CC BY
63
УДК 62-251-762.89:532.5.013.12
ОСНОВНЫЕ КОНФИГУРАЦИИ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ КАВЕРН ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА ЖРД
Д. С. Швецова, Т. А. Королёва Научный руководитель - М. И. Толстопятов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрены основные конфигурации вращательных каверн турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя.
Ключевые слова: жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), турбонасосные агрегаты (ТНА), полость вращения, вращающийся диск, уравнения движения, вязкая жидкость, расходное турбулентное течение, напряжения трения, момент сопротивления, пространственный пограничный слой.
BASIC CONFIGURATIONS OF CAVITIES TURBOPUMP OF LIQUID ROCKET ENGINE
D. S. Shvetsova, T. A. Koroleva Scientific supervisor - M. I. Tolstopyatov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
We considered the basic configuration of the rotational cavities turbopump of liquid rocket engine.
Keywords: liquid rocket engine (LRE), turbopump, the cavity of the rotation, rotating disk, the equations of motion, viscous liquid, consumable turbulent flow, voltage friction, the moment of resistance, spatial boundary layer.
Турбонасосные агрегаты современных жидкостных ракетных двигателей являются высокона-груженными 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 ресурса работы ЖРД нового поколения выдвигают в качестве актуальной научно-технической задачи снижение гидравлических и механических потерь, выравнивание полей скоростей и давлений в проточных трактах насосов и турбин ТНА. Большая доля гидравлических и дисковых потерь на трение имеет место именно во вращательных кавернах турбонасосного агрегата [1].
Течения в компонентах газовых турбин, индуцированные вращением диска, удобно разделить на ряд характерных конфигураций, каждая из которых учитывает те или иные условия и геометрические особенности реальной конструкции (рис. 1).
Рабочие колеса в центробежных насосах и турбинах обычно вращаются в довольно узких кожухах, ширина которых мала по сравнению с радиусом диска [1; 2]. Использование приближения свободного вращающегося диска приводит к большим погрешностям в случае малых зазоров между статором и ротором [2]. Проектирование конструкции зазора между ротором и статором, обеспечивающей оптимальные показатели энергетической эффективности, является отдельной важной задачей.
Конфигурация, состоящая из двух коаксиальных дисков (рис. 2, а, б), один из которых является неподвижным, а другой вращается с постоянной угловой скоростью, используется в качестве основы для моделирования течений в кавернах, ограниченных ротором и статором. В реальных конфигурациях учитывается влияние корпуса (рис. 2, в, г), которое значительно усложняет схему течения жидкости в каверне. Также в системах на рис. 2, в, г имеет место осевой радиальный подвод или отвод рабочего тела или его вытекание из каверны по радиусу.
Секция «Двигатели и энергетические установки летательньх и космических аппаратов»
В зависимости от конфигурации каверны и режима работы ТНА поле скоростей между ротором и статором может иметь различный характер. Режим течения определяется как угловой скоростью вращения ротора, так и расходным течением, направление которого зависит от распределения давления в каверне по радиусу диска. Главным образом течение в каверне имеет вращательный характер. Основные схемы полей скоростей в радиальном направлении показаны на рис. 3. Для полостей центробежных насосов часто имеет место схема течения от периферии к центру вращения (см. рис. 3, а), тогда как для турбины течение имеет в основном только вращательный характер, но на роторе может быть течение от центра, а у статора к центру (рис. 3, б). Кроме того, в ТНА часто применяется гидродинамическое радиальное уплотнение в котором течение может быть направлено от центра вращения к периферии (см. рис. 3, в).
Рис. 1. Конструктивная схема электронасосного агрегата: 1 - рабочее колесо; 2 - корпус насоса; 3 - автомат разгрузки; 4 - щелевое уплотнение; 5 - коническая полость; 6 - торцевая полость (боковая пазуха); 7 - осевая полость; 8 - криволинейная полость
Ру1
р
о т
о р
ю
а
<
ю
б
р
о т
о р
а о
Й н о
и
-
ю
в
р
о т
о р
Рис. 2. Основные формы каверн в ТНА ЖРД: ю - угловая скорость вращения ротора
V/
'А
Г
(
ш
а б в
Рис. 3. Основные схемы течения в кавернах ТНА в радиальном направлении
г
Таким образом, вращательные каверны турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя представляют собой геометрически сложные элементы конструкции, в которых течение компонента топлива имеет неоднозначный характер, который оказывает значительное влияние на энергетическое совершенство двигателя в целом.
Библиографические ссылки
1. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1986. 376 с., ил.
2. Волков К. Н., Емельянов В. Н. Течения и теплообмен в каналах и вращающихся плоскостях. М. : Физматлит, 2010. 488 с.
© Швецова Д. С., Королёва Т. А., 2015
