CC BY
17Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов
УДК 004.932
ВОЗМОЖНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ УСКОРЕННОГО МЕТОДА КАВИТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Д. А. Савчин, Д. С. Швецова, В. П. Назаров
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Представлена методика ускоренных кавитационных испытаний насосов жидкостных ракетных двигателей, позволяющая сократить время испытаний и повысить их точность.
Ключевые слова: кавитация, шнекоцентробежный насос, испытания.
POSIBILITY OF USING ACCELERATED CAVITATION TESTS OF LIQUID ROCKET ENGINE PUMPS
D. A. Savchin, D. S. Shvetsova, V. P. Nazarov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper deals with the review of an accelerated method of cavitation tests of centrifugal pumps of liquid rocket engines.
Keywords: cavitation, centrifugal pump, tests.
В насосах жидкостных ракетных двигателей при падении входного давления Pi ниже определенного критического давления Ркр возникает кавитация - явление, которое может привести к срыву режима работы насоса, сопровождаемому уменьшением напора, КПД и расхода жидкости через насос. Вследствие этого появляется необходимость проведения испытаний на определение антикавитационных свойств насоса. Эти свойства характеризуются величиной критического входного подпора Ah^, который определяется по критическому входному давлению из формулы:
Ah..
Р + Р - Р
1 1кр т 1 а 1 а
блюдения условия m = const в области срыва - кривая 1; 2) с соблюдением условия m = const - кривая 2.
0,5v:
где Лкр - критическое входное давление, Па; Ра - атмосферное давление, Па; Р5 - давление насыщенных паров жидкости, Па; Увх - скорость жидкости на входе в насос, м/с.
Согласно принятой методике, кавитационные испытания проводятся следующим образом: после вывода насоса на рабочий режим путем установки номинальных значений угловой скорости и расхода жидкости давление на входе в насос ступенчато снижается. При каждом снижении после установления режима производится замер основных параметров насоса: давления на входе и выходе насоса Рь Р2, Па; угловой скорости вращения ротора ю, рад/с; расхода жидкости через насос т , м3/с. По этим данным определяют значение напора, а затем на миллиметровой бумаге строят напорную характеристику - зависимость Н (Р1). На рисунке представлены кавитационные характеристики насоса, получаемые: 1) без со-
Кавитационные характеристики насоса
Также на рисунке заштрихована область получения возможных характеристик, эта особенность методики формально позволяет влиять на антикавитаци-онные свойства насоса, вследствие чего снижается достоверность испытаний, что может отразиться на ухудшении надежности насосных агрегатов. Экспериментальные данные показали, что расхождение результатов испытаний доходит до 6,3 %, а погрешность определения Мкр, доходящая до 10 %.
Таким образом, на основании изложенного можно выделить основные недостатки существующей методики:
- значительная трудоемкость снятия кавитацион-ной характеристики, как следствие, длительная работа насоса в условиях кавитации и снижение его надежности в целом;
Решетневскуе чтения. 2018
- недостаточная точность определения критического входного давления;
- влияние субъективных факторов на результаты испытаний.
В докладе представлена методика проведения испытаний, согласно которой предлагается определять характеристики насосов при непрерывном и достаточно быстром изменении P-i, что позволит сократить длительность испытаний и существенно уменьшить кавитационную эрозию рабочих колес. При этом предлагается в режиме срыва не поддерживать постоянным т, что позволит отказаться от недостаточно надежных регуляторов расхода.
При ускоренных испытаниях появляется необходимость решения задачи автоматизации процесса регистрации основных параметров. С этой целью разработана регистрирующая система, в состав которой входят вибростержневые датчики давления, преобразователи частоты в напряжение и двухкоординатные самописцы.
Определение кавитационных параметров насоса при непрерывном и достаточно быстром снижении входного давления приводит к тому, что процессы в системе «насос-измерительная система-гидростенд» становятся нестационарными. Поэтому был выполнен анализ влияния нестационарности процессов на результаты испытаний.
При увеличении скорости изменения входного давления растет величина динамической погрешности (~20-60 %). Чтобы ее уменьшить, необходимо снижать Р1 со скоростью ~100 Па/с, т. е. за время t ~ 10 мин. Необходимо подчеркнуть, что ограничение скорости снижения входного давления накладывается только при работе насоса в области срыва, в бессрыв-ном режиме скорость может быть увеличена.
Теоретический анализ условий работы «насос-измерительная система-гидростенд» при определении антикавитационных свойств насосов на нестационарном режиме позволил выработать требования, которым должны удовлетворять измерительные системы стенда, чтобы динамическая погрешность определения параметров насоса была минимальна. Проведенные эксперименты подтвердили правильность сделанных предположений, показали сходимость расчета и эксперимента при скоростях снижения Р1 до 2000 Па/с и позволили отработать методику проведения ускоренных кавитационных испытаний насосов.
С целью экспериментальной проверки возможности автоматизированного определения критического давления на входе в насос непосредственно в процессе испытаний был изготовлен опытный образец прибора автоматической регистрации (ПАР). Погрешность определения Р1кр составила 1,63 %, а время проведения трех серий испытаний составило ~17 мин.
На основании приведенных данных можно сделать вывод, что ускоренный способ проведения испытаний в условиях серийного производства позволяет решить следующие проблемы:
- уменьшить вероятность эрозионного разрушения, сократив время испытаний;
- снизить трудоёмкость обработки результатов испытаний;
- устранить влияние субъективного фактора на результаты испытаний;
- повысить точность определения кавитационных параметров насосов за счет автоматизации процесса определения критического входного давления.
Разработанный прибор автоматической регистрации путем несложных доработок может быть использован для определения кавитационных параметров практически всех типов лопаточных насосов.
Библиографические ссылки
1. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. М. : Машиностроение, 1971. 672 с.
2. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания ЖРД. 3-е изд. М. : Машиностроение, 1986. 376 с.
3. Encyclopedia Britannica [Электронный ресурс]. URL: https://www.britannica.com/science/cavitation (дата обращения: 11.08.2018).
4. Карелин В. Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1975. 336 с.
5. Чебаевский В. Ф., Петров В. И. Кавитационные характеристики высокооборотных шнеко-центро-бежных насосов / под ред. д-ра техн. наук, проф. С. Д. Гришина. М. : Машиностроение, 1979. 152 с.
6. Яременко О. В. Испытания насосов : справочное пособие. М. : Машиностроение, 1976. 225 с.
References
1. Bashta T. M. Mashinostroitel'naya gidravlika [The Engineering hydraulics]. Moscow, Mashinostroenie publ, 1971. 672 р.
2. Ovsyannikov B. V., Borovsky B. I. Teoriya i ra-schet agregatov pitaniya ZhRD. [The theory and calculation of unit of liquid rocket engines] Izdanie 3, Moscow, Mashinostroenie, 1986. 376 p.
3. Encyclopedia Britannica. Available at: https://www.britannica.com/science/cavitation (accessed: 06/18/2018).
4. Karelin V. Ya. Kavitatsionnye yavleniya v cen-trobezhnykh i osevykh nasosakh [Cavitational phenomena in centrigugal and axial pumps]. Izdanie 2, pererabot i dop. Moscow, Mashinostroenie, 1975. 336 p.
5. Chebaevsky V. F., Petrov V. I. Kavitatsionnye kharakteristiki vysokooborotnykh shnekocentrobezhnykh nasosov [Cavitational characteristics of high-speed centrifugal pumps]; pod. red. S. D. Grishina. Moscow, Mashinostroenie, 1979. 152 p.
6. Yaremenko O. V. Ispytaniya nasosov [Pump tests]. Spravochnoe posobie. Moscow, Mashinostroenie, 1976. 225 p.
© Савчин Д. А., Швецова Д. С., Назаров В. П., 2018
