Разработка методики исследования и средств снижения динамической нагруженности комбинированных насосных агрегатов

Гафуров, Салимжан Азатович

Разработка методики исследования и средств снижения динамической нагруженности комбинированных насосных агрегатов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Гафуров, Салимжан Азатович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Разработка методики исследования и средств снижения динамической нагруженности комбинированных насосных агрегатов»

Автореферат диссертации на тему "Разработка методики исследования и средств снижения динамической нагруженности комбинированных насосных агрегатов"

На правах рукописи

Гафуров Салимжан Азатоеич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 В СЕН 2013

005533МО

Самара 2013

005533545

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшею профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» на кафедре автоматических систем энергетических установок

Научный руководитель: Шахматов Евгений Владимирович, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Радченко Владимир Павлович, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Прикладная математика и информатика»;

Кочеров Евгений Павлович, кандидат технических наук, ОАО «КУЗНЕЦОВ», первый заместитель генерального конструктора.

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Защита состоится «11» октября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02, созданном на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования 'Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)" (СГАУ), по адресу 443086, Самара, Московское шоссе, д.34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»

Автореферат разослан«10.» сентября 2013г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.215.02

Скуратов Д.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время в гидромеханических системах различного назначения нашли широкое применение комбинированные насосные агрегаты (КНА), состоящие, как правило, из шнекоцентробежной (ШЦС) и шестерённой ступеней (ШС).

Шестерённые ступени, входящие в состав КНА, являются подкачивающими насосами, служащими для обеспечения многорежимной работы машин. При этом зачастую необходимо обеспечить изменение расхода рабочей жидкости в широком диапазоне при незначительно изменяющихся оборотах вала насоса. Для этого помимо напорной и питающей магистралей на входе в насос дополнительно устанавливают сливные и перепускные магистрали, что приводит к созданию дополнительной значительной окружной неравномерности распределения параметров потока перед шнеком. Всё это приводит к работе ШС на нерасчётных режимах и к интенсификации кавитационных процессов, часто носящих скрытый характер. Общеизвестно, что работа КНА осложняется наличием растворённого газа в рабочей жидкости. На определённых режимах работы КНА возможно выделение газа из рабочей жидкости. При этом рабочая жидкость представляет собой двухфазную среду и содержит свободный воздух. Наличие газовой компоненты в рабочей жидкости нередко приводит к повышению нагружения элементов КНА, наиболее ответственными и одновременно наименее надёжными из которых являются подшипники. Описанные явления позволяют утверждать, что КНА являются основными источниками колебаний давления и вибраций в системах и в тоже время сами испытывают значительные динамические нагрузки, связанные с работой присоединённых систем. Поэтому актуальной и важной темой исследования является разработка методики исследования и средств снижения динамической нагруженности КНА.

Степень разработанности темы. Несмотря на значительное количество работ в области исследования динамической нагруженности насосных агрегатов, на сегодняшний момент времени отсутствуют работы по численному моделированию ШЦС КНА, в которых учитывается взаимодействие ШЦС и ШС. Отсутствуют методики проведения численного анализа кавитационных процессов в ШЦС, позволяющие прогнозировать её энергетические и кавитационные характеристики, а также прогнозировать нагруженное состояние элементов насоса в случае попадания свободного воздуха. До сих пор нет достаточных сведений о нестационарных пульсациях давления и нестационарном нагружении лопаток ШЦС. Вместе с тем проектирование ШЦС КНА достигло того уровня, при котором только детальное представление течения потока в нём даёт возможность повысить его энергетические и кавитационные характеристики. Таким образом, для повышения надёжности КНА необходима разработка средств, позволяющих снизить их динамическую нагруженность, а также создание методов, позволяющих прогнозировать нагруженное состояние их основных элементов на различных режимах работы. Необходимо математическое и экспериментальное исследование механизмов взаимодействия элементов насосного агрегата с учётом протекающих в нём кавитационных процессов и наличия нерастворённого газа. В связи с ранее сказанным разработка методики исследования и средств снижения динамической нагруженности КНА являются важными и насущными задачами.

Цели и задачи работы. Целью работы является разработка методики исследования динамической нагруженности КНА и средств её снижения на основе физического и численного моделирования рабочих процессов течения многокомпонентной жидкости, состоящей из керосина, его паров и воздуха.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:

- анализ взаимодействия ШС и ШЦС, выявление основных причин, приводящих к динамической нагруженности элементов КНА, анализ методов прогнозирования энергетических и кавитационных характеристик шнекоцентробежных насосов;

- анализ методов и средств снижения динамической нагруженности шестерённых и шнекоцен-тробежнных насосов;

- разработка численной модели ШЦС КНА для прогнозирования её напорной характеристики, характеристики по КПД и кавитационной характеристики. Верификация разработанной модели;

- разработка методики моделирования структуры течения рабочей жидкости с целью определения локальных источников нагружения конструктивных элементов ШЦС;

- разработка методики расчёта динамического нагружения конструктивных элементов ШЦС при

её работе на многокомпонентной рабочей жидкости;

- разработка мероприятий по снижению динамических нагрузок в комбинированных насосных агрегатах гидромеханических систем и определение их эффективности.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель, описывающая рабочие процессы в ШЦС КНА, учитывающая гидродинамическое воздействие ШС, и позволяющая одновременно получать энергетические и кавитационные характеристики ШЦС. При этом для описания кавитационных процессов используется модель, основанная на модифицированном уравнении Рэлея-Плесетта, которое учитывает зависимость вязкости и плотности жидкости от её температуры и давления.

2. Разработана методика определения гидродинамического нагружения элементов ШЦС для случая её работы на многокомпонентной жидкости. Методика учитывает влияние ШС, а также взаимодействие компонентов рабочей жидкости. Показана перспективность её использования для численного исследования влияния на нагруженное состояние элементов ШЦС нерастворённого воздуха, попадающего в её питающую магистраль.

3. Создано и обосновано положение об акустико-вихревом резонансе рабочих колёс ШЦС, что позволило разработать математическую модель акустико-вихревого резонанса рабочих колёс ШЦС, позволяющую определять местные источники интенсификации нагружения ступени во всём диапазоне её рабочих режимов.

4. Разработаны конструктивные мероприятия, позволяющие снизить динамическую нагружен-ность КНА за счёт одновременного устранения обратных токов на входе в ШЦС, а также разбиения потоков рабочей жидкости из сливных и перепускных магистралей на серию более мелких без изменения конфигурации и конструкции внешней обвязки насосного агрегата; разработан алгоритм выбора их конструктивных параметров в зависимости от геометрических и рабочих параметров КНА.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

- разработаны математические модели, позволящие определять с высокой точностью энергетические и кавитационные характеристики ШЦС, входящих в состав КНА, а также определять их нагруженное состояние в случае попадания различной объёмной доли свободного воздуха в питающую магистраль агрегата без проведения опытно-промышленных испытаний;

- разработана модель акустико-вихревого резонанса, позволяющая определять причину местных источников высокочастотного нагружения элементов КНА.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработаны конструктивные мероприятия, обеспечивающие снижение динамических нагрузок, действующих на насосный агрегат;

- определена основная причина разрушения осевого радиально-упорного подшипника ШЦС КНА, заключающаяся в попадании воздуха в питающие трубопроводы агрегатов;

- исключено проведение специальных опытно-промышленных испытаний КНА по определению их энергетических и кавитационных характеристик;

- предложенные методики исследования динамической нагруженное™ КНА и конструктивные средства снижения их динамической нагруженности использованы при выполнении опытно-конструкторских работ на ОАО «КУЗНЕЦОВ» (г. Самара) и НПП «ТЕМП им. Ф. Короткова» (г. Москва). Основополагающие материалы диссертации используются в учебном процессе СГАУ.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решены на основе методов вычислительной гидродинамики и анализа экспериментальных данных. При экспериментальном исследовании использовался спектрально-корреляционный анализ, метод лазерного ножа и высокоскоростная видеосъемка.

Объектом исследования являются рабочие процессы топливных КНА, состоящих из ШЦС и ШС.

Предметом исследования являются методики исследования динамической нагруженности КНА, а также средства, направленные на её снижение.

Положения, выносимые на защиту.

математическая модель рабочих процессов ШЦС КНА, позволяющая одновременно получать

энергетические и кавитационные характеристики ШЦС и учитывающая:

- двухфазность рабочей жидкости;

- гидродинамическое воздействие ШС;

- гидродинамическое влияние присоединённых трубопроводов;

результаты экспериментальных исследований по подтверждению адекватности и точности разработанной математической модели рабочих процессов ШЦС КНА;

- методика численного определения гидродинамического нагружен ия элементов ШЦС для случая её работы на многокомпонентной жидкости (жидкая и газовая фазы, а также воздух), позволяющая учитывать её конструктивные особенности и влияние ШС; результаты экспериментальных исследований по подтверждению адекватности предложенной методики и модельных представлений; результаты экспериментальные исследований по оценке виброакустического состояния КНА для установления причин их повышенной динамической нагруженное™;

- положение об акустико-вихревом резонансе рабочих колёс ШЦС, позволяющее определять местные источники интенсификации нагружения ступени во всём диапазоне её рабочих режимов, возникающие из-за совпадения собственных частот колебаний шнека, центробежного колеса, частоты срыва вихрей с лопаток и частот колебаний, вызванных ШС, для чего создана математическая модель акустико-вихревого резонанса рабочих колёс ШЦС;

конструктивные мероприятия, направленные на снижение динамической нагруженности КНА за счёт изменении входного участка ШЦС и одновременного устранения обратных токов на входе в ШЦС, а также разбиения потоков рабочей жидкости из сливных и перепускных магистралей на серию более мелких без изменения конфигурации и конструкции внешней обвязки насосного агрегата; алгоритм выбора параметров конструктивных мероприятий в зависимости от геометрических и рабочих параметров КНА.

Достоверность результатов. Достоверность результатов математических исследований рабочих процессов в комбинированных насосных агрегатах подтверждена расчётно-аналитическими средствами и проведёнными диссертантом экспериментами в опытно-промышленных условиях.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на конференциях: 59 научно-технической студенческой конференции СГАУ, Самара, 2008; МНТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» СГАУ, Самара, 2009; ВНК X Королевские чтения, Самара, 2009; XIII ММНПК, Днепропетровск, 2011; XIV МНК, посвящённой памяти академика М. Ф. Решетнева, Красноярск, 2011; IV Общероссийской МНТК «Молодежь. Техника. Космос», Санкт-Петербург, 2012; IX Международной научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин», посвященной 55-летию со дня основания «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», Казань, 2012; International Scientific-Technical Conference «Hydraulics and Pneumatics 2012», Wroclaw, 2012; Международной научно-технической конференции с участием молодых учёных «Динамика и виброакустика машин», Самара, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 7 работ в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 131 наименований. Основное содержание работы изложено на 169 страницах (включает 149 рисунков и 15 таблиц).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы исследования и степень её разработанности. Приведены цели и задачи исследования, а также её научная новизна. Описана теоретическая и практическая значимость работы, а также методология, и методы исследования.

В первой главе проведен анализ работы КНА в составе топливной системы авиационного двигателя и анализ источников динамического нагружения его элементов. Проведен обзор основных математических и экспериментальных исследований по выявлению причин повышенного динамического нагружения элементов ШЦС КНА. Для установления причин повышенного динамического нагружения элементов КНА выявлены особенности взаимодействия ШЦС и ШС, а также рассмотрено влияние на изменение нагруженного состояния насосного агрегата вихревых обратных токов, кавитации и попадания нерастворённого воздуха. Приведён обзор работ по оценке сил, действующих в лопастных машинах. Проведён анализ существующих методов моделирования лопастных насосов, а также методов прогнозирования их энергетических и кавитационных характеристик.

Из работ Гаспарова М.С., Крючкова А.Н. и Шахматова Е.В. известно, что основным элементом, лимитирующим ресурс и надёжность КНА (рисунок 1), является радиально-упорный подшипник скольжения ШЦС. Вследствие его повышенной нагруженное™, приводящей к ускоренному износу, происходит касание лопаток центробежного колеса и улитки насоса, что приводит к отказу насоса. Анализ работы КНА позволил раз-^ работать схему модели вибрационного и гидродинамического взаимо-

^ЯЩк \ действия его ступеней (рисунок 2), необходимую для определения

_ нагруженного состояния подшипника. Математическая реализация дан-

^ ной схемы приведена во второй главе.

Рисунок 1 - КНА К конструктивным особенностям КНА можно отнести наличие перепу-

сков топлива, приводящих к возможному распространению высокоамплитудных пульсаций давления с выхода ШС на выход ШЦС. Из проведённого анализа следует, что КНА с присоединёнными магистралями являются сложными динамическими системами, в которых несколько источников вынужденных колебаний, взаимосвязанных между собой, каждый из которых может служить источником колебаний давления, расхода, повышенной вибрации и повышенного шума.

На основе разработанной модели вибрационного и гидродинамического взаимодействия ступеней КНА были выявлены основные причины вибрационного и гидродинамического возбуждения элементов КНА: пульсационное воздействие ШС; возникновение срывов потока с лопаток рабочих колёс; гидродинамическая неустойчивость течения в шнеке (обратные вихревые токи, кавитационные явления, попадание воздуха в свободном состоянии).

Результаты исследований Крючкова А.Н., Шахматова Е.В., Шорина В.П. показали, что высокоамплитудные пульсации давления, генерируемые ШС, не усиливают пульсации давления в ШЦС. Этими авторами также установлено, что совпадение числа лопаток центробежного колеса и зубьев шестерён не приводит к возникновению резонансных явлений в насосном агрегате.

Рисунок 2 - Схема вибрационного и гидродинамического нагружения КНА

Условия работы ШЦС во многом осложняются необходимостью обеспечения широкого диапазона подач топлива в камеру сгорания авиационного двигателя. При этом частота вращения ротора изменяется незначительно. Это приводит к работе ШЦС на нерасчётных режимах, сопровождающихся возникновением обратных вихревых токов и кавитационных явлений. Результаты работы В.М. Калнина и В.А. Шерстянникова, показывают, что пониженные режимы работы шнекоцентробежного насосного агрегата (ШЦН) приводят к значительному повышению радиальной силы, действующей на подшипник, по сравнению с номинальным режимом.

В работах С.Е. Brennen, В.Ф. Чебаевского, В.И. Петрова, Т. Toyokura, В,И. Думова, В.Н, Ершова, А.И. Степанова рассматриваются причины возникновения обратных токов в осевых и центробежных насосах, картина обтекания лопастей рабочих колёс, а также распределение параметров потока в их различных сечениях.

В работе Н.П. Сточека показано, что обратные токи и развивающаяся кавитация в них являются причиной дополнительной нестационарности течения на входе в насос, и как следствие, причиной повышенной динамической и вибрационной нагруженности элементов насосного агрегата.

Исследованию кавитационных явлений в различных насосных агрегатах посвящены работы Чебаевского В.Ф., Петрова В.И., Пилипенко В.В., Овсянникова Б.В., Натанзона М.С., Задонцева В.А., Кални-на В.М., К. Brennen, М. Kjeldsen, Y. Lecoffre, J. F. Gülich, и др. В данных работах показано, что выделившийся из рабочей жидкости газ и/или газ в свободном состоянии, попадающий в топливную систему самолёта из баков, интенсифицируют кавитационные явления. Это приводит к значительному повышению нестационарного нагружения ротора ШЦС. В первой главе описан механизм выделения растворённого воздуха из рабочей жидкости, а также возможные причины попадания газа в питающую магистраль топливного авиационного комбинированного насоса.

Изучению вопроса влияния попадания газа в свободном состоянии на рабочие процессы ШЦН посвящены работы Л.С. Бычковой, E.H. Лысова, В. Bachert, В. Brunn, В. Stoffel и др. В работах этих авторов показано, что свойства жидкости (объёмное содержание и распределение газа) оказывают значительное влияние на процесс зароиздения и развития кавитации. В работе В.П. Водяницкого показано, что подача даже небольшого количества газа приводит к значительному падению напора насоса. При определённом газосодержании в потоке происходит качественное изменение структуры двухфазного потока в межлопаточных каналах шнека, что приводит к росту нестационарной нагруженное™ элементов насоса.

В работах авторов Бепоусова А.И., Косицына И.П., Овсянникова Б.В., Михайлова А.К., Боровского Б.В. и др. приведены методики по определению усилий, действующих на ротор и подшипниковый узел различных лопастных насосов. При этом рассматриваются усилия от действия статического давления, а также динамическая составляющая этой силы как реакция опоры. Однако на практике достаточно трудно определить усилия на элементах насоса от динамического воздействия движущейся рабочей жидкости по изменению количества движения. При этом необходимо знать распределение рабочих параметров по всему тракту насосного агрегата, включая задисковую полость центробежного колеса, а наличие конструктивных особенностей шнека, центробежного колеса и улитки значительно усложняют эту задачу.

В последнее время для изучения рабочих процессов лопастных насосов и получения их энергетических и кавитационных характеристик большое применение получили методы вычислительной гидродинамики (CFD методы). Так, в работах Franc, J.-P. и Michel, J.-M., а также Goto, A., Nohml, М., Sakurai, Т., и Sogawa.Y при расчёте напора и КПД центробежных и осевых насосов, имеющих широкие диапазоны геометрических размеров и коэффициентов быстроходности, среднеквадратичная погрешность расчёта составляет не более 2,5%.

Как показано в работе Гаспарова М.С., срывы потока с лопаток шнека и центробежного колеса являются причиной возникновения местных источников нагружения конструктивных элементов ШЦС. Для моделирования данного явления в работе Гаспарова М.С. разработана численная модель КНА, описывающая вихревые течения в ШЦС КНА, которая строится на оценке структуры потока. Однако использование стандартной к - с модели турбулентности для описания пристеночных течений, невысокое качество построения конечно-объёмной сеточной модели, отсутствие учёта кавитационных явлений, использование для оценки параметров течения только стационарных расчётов, не учёт течения в области подшипника, а также упрощённое представление сливов с агрегатов значительно снижают точность моделирования.

Литературный обзор, проведённый в первой главе, показал, что в настоящее время отсутствуют работы по численному моделированию рабочих процессов ШЦС КНА. Отсутствуют методики, позволяющие прогнозировать их энергетические и кавитационные характеристики, а также прогнозировать нагруженное состояние его элементов. При этом известные математические и экспериментальные исследования работы комбинированных агрегатов не смогли выявить причину повышенного износа под-

шипника ШЦС. До сих пор нет достаточных сведений о нестационарном нагружении лопаток шнека и центробежного колеса в случае попадания воздуха в питающую магистраль насоса. Поэтому работа по снижению динамической нагруженное™ КНА является актуальной. Патентный и литературный анализ работ по снижению пульсаций и повышению антикавитационных свойств шестеренных и шнекоцентро-бежных насосов позволил сформулировать цепь и задачи исследований.

Во второй главе разработана численная модель гидродинамического течения в ШЦС с присоединённым подшипниковым узлом. Рассмотрены основные уравнения переноса, состояния, кавитации и турбулентности потоков, решаемые при моделировании течения многокомпонентной жидкости. Описана методика решения данных уравнений с помощью метода конечных объёмов, реализованная в коммерческом продукте А^УЭ СЯХ. Получены и подтверждены результатами экспериментов энергетические и кавитационные характеристики ШЦС.

Во второй главе представлено математическое описание модели гидродинамического взаимодействия ступеней КНА (рисунок 3).

Изменение количества движения, тепло- и массообмен в рабочей жидкости в расчётной области «1», выделенной на рисунке 3, описываются с помощью уравнений Навье-Стокса, дополненные уравнениями кавитации и турбулентности.

В случае попадания свободного воздуха в питающий трубопровод топливного авиационного комбинированного насоса рабочая жидкость представляет собой многокомпонентную жидкость, содержащую жидкую и газовую фазы, а также воздух в свободном состоянии.

Относительное количество каждого из компонентов оценивается с помощью величины объёмного содержания.

Гк+Г„+ГА= 1, (1)

где гк - объёмная доля керосина; гу - объёмная доля паровой фазы керосина; гА ■ объёмная доля не-растворённого воздуха.

Рисунок 3 - Описание модели гидродинамического взаимодействия ступеней КНА

Поэтому уравнения Навье-Стокса (переноса и состояния), а также уравнения кавитации и турбулентности, приводятся для случая вязкого течения многокомпонентной жидкости:

- уравнение неразрывности для каждой фазы смеси

¿('Ж) , 'ЖРа" '| А-

- уравнение сохранения количества движения:

5(рти') д(рти'и') дР , (3)

а/ ах1 дх' зх' Ит где г„, и', р„, - соответственно объёмная доля фазы а , компоненты скорости в декартовой системе координат, плотность компонента и источниковый член фазы а: д1 - ускорение свободного падения; т' - тензор напряжений, соответствующий сдвиговым деформациям слоя жидкости, который находится из закона Стокса; рт и рт - плотность и динамическая вязкость смеси соответственно;

- для описания турбулентных явлений выбрана вЭТ модель турбулентности. Данная модель базируется на двух уравнениях для кинетической энергии турбулентности (с и её частоты со:

^ = V■((v + Cтkvт)Vk) + Pk-/)^cok (4)

% = V• ((V + а.ут)Чсо) + -+ (1 -^)^-(Ук)■ (V»), (5)

ОГ й)

где уг — — турбулентная вязкость; Р, - член, отвечающий за генерацию вихрей; - функция, при

со

помощи которой происходит переключение между к - о> и к - е моделями турбулентности;

- для описания «агитационных явлений используется модель кавитации, основанная на уравнении Релея-Плессета:

(У2/?. 3 (<1ЙВ у _ 4 аяв , 2а С^_ р, -Ру -р,

<яг а ) ртяв ЧТ Л ЯД ОТ ) Рт

где Ив • радиус парового пузырька. Начальный радиус пузырька равным /?з=1СН м.; - эффективная динамическая вязкость жидкости; Г - температура жидкости; а - коэффициент поверхностного натяжения между керосином и его парами; р, - давление жидкости; Рч - давление насыщенных паров; Рд- давление внутри газового пузырька.

Величина полного переноса массы между фазами вследствие кавитации, приходящаяся на единицу объёма, имеет вид:

нв V3 Рк ^

3rvpv 12 Pw-P _ _

Рк

где Р - эмпирический настроечный коэффициент, который в случае описания процессов парообразования равен Руар= 47, а в случае описания процессов конденсации - Рсол0=О,О88; р„ и рх - плотность паровой и жидкой фазы керосина соответственно;

гнис - объёмная доля центра парообразования, равная rNUC = 5 ■ 10''.

Для замыкания перечисленных уравнений вводятся уравнения состояния, описывающие изменение вязкости, плотности, давления насыщенных паров жидкости, а также энтальпии рабочей жидкости в зависимости от температуры.

Реализация разработанной численной модели для описания течения реального потока в ШЦС выполнена с помощью CFD (Computational Fluid Dynamics) кода ANSYS CFX.

Геометрическая модель учитывает основные конструктивные особенности ШЦС и подшипникового узла: осевые и радиальные зазоры; разгрузочные элементы; сливные трубопроводы; каналы для подвода смазки к подшипнику. При разработке численной модели течения в ШЦС, воздействие ШС учитывалось в виде утечек, поступающих в полость между ступенями. Утечки оценивались с помощью модели, предложенной Родионовым Л.В.

Для адекватного описания течения рабочей жидкости в насосных агрегатах следует особое внимание уделить качеству сеточной модели. Для этого описан алгоритм выбора размеров ячеек, описывающих течения в пристеночных зонах. Была проведена серия расчётов для обоснования выбора модели турбулентности, результаты которой сравнивались с экспериментальными значениями.

Верификация численной модели проведена на основе сравнения энергетических (напор, КПД - рисунок 4, а, б) и кавитационных характеристик ШЦС (рисунок 4, в), полученных расчётным и экспериментальным путями. Из данных рисунков видна сходимость результатов численного моделирования и эксперимента. Оценка по критерию Фишера показала адекватность модели. Погрешность расчёта составляет не более 4%. Численные исследования показали, что на пониженных режимах работы КНА присутствует развитая кавитация. Характерная картина кавитации на пониженных режимах приведена на рисунке 4, г

:о 40 ад « -о ко

Объемным расхоз, м'/ч

в г

Рисунок 4 - Экспериментальные и расчётные данные: а - напорные характеристики для ШЦС; б - кавитационные характеристики; в - КПД ШЦС; г - распределение кавитационных каверн при объёме газовых пузырьков в 1% Для проверки адекватности выбора модели турбулентности было проведено сопоставление структур течения на одинаковых режимах, полученных экспериментальным (рисунок 5) и расчётным (рисунок 6, а, б) путями.

Рисунок 5 - Структура течения ШЦС, полученная численно на режиме Р", = 2атм , С=2950 кг/ч, Мр=5750 об/мин

Рисунок 6 - Структура течения в ШЦС на режиме Р", = 2атм , G=2950 кг/ч, Np=5750 об/мин.: а - структура течения, получена методом лазерного ножа; б - структура течения, полученная с помощью высокоскоростной съёмки

Результаты сопоставления доказывают правильность выбора модели турбулентности, граничных условий, а также точность построения сеточной модели расчётной области. Экспериментальные наблюдения велись с помощью метода лазерного ножа, разработанного профессором СГАУ Журавлёвым O.A., а также с помощью высокоскоростной видеосъёмки.

В третьей главе проведено исследование структуры течения в проточной части ШЦС на различных режимах её работы. С помощью численного моделирования оценено влияние конструктивных параметров КНА на нагруженное состояние его элементов, исследовано влияние попадания воздуха в свободном состоянии на нагруженное состояние элементов насосного агрегата. Проведены экспериментальные исследования по оценке пульсационного и вибрационного состояний КНА (на примере НД-25 и НД-32). Экспериментальные исследования подтвердили выявленные с помощью численного моделирования причины повышенного динамического нагружения подшипникового узла ШЦС.

С помощью численной модели было установлено, что на входе в шнек имеются достаточно развитые вихревые течения, которые проявляются в виде 2-х «вихревых жгутов». При численном анализе было установлено значительное влияние сливных магистралей на создание обратных токов (рисунок 7).

При нестационарном моделировании процессов динамической нагруженности ротора ШЦС, значительное внимание было уделено изучению процесса попадания нерастворённого воздуха в питающую магистраль.

На рисунке 8, а, б показаны результаты численного расчёта колебания осевой силы при различной объёмной подаче воздуха.

Рисунок 7 - Влияние сливных магистралей на структуру течения керосина

' 11811Э §11 з 1- S 5 3 § S ! § | з 11 ÜSiai 1 § § ! §1- SI

11111 2 2 31- 3 3 3 2 3 811 21 3111 i |! 11 p 1111 § |

Рисунок 8 - Осциллограммы осевой силы, действующей на ротор: а - без воздуха; б - с объёмным содержанием воздуха 5,3%

Сопоставление величин нагрузки, действующей на подшипник, полученных расчётным и экспериментальным (рисунок 9, а) путями, показало, что погрешность расчёта не превышает 5%. Численные исследования, подтверждённые экспериментально, показывают, что на всех режимах работы ШЦС с возрастанием объёмного газосодержания в рабочей смеси, средняя и амплитудная составляющие осевой силы , действующей на подшипник, возрастают.

После проведённых экспериментальных исследований по оценке влияния воздуха на износ подшипника, насосный агрегат был разобран и осмотрено состояние радиально-упорного подшипника скольжения ШЦС. Подшипник имеет повреждения в виде кавитационных размывов на внутренней кромке (рисунок 9, б).

Датчик 1

- Эксперимент 0%

- Эксперимент 4% Эксперимент 5,3%

Датчикб

■ Расчёт 4% Расчёт 5,3%

Датчик 4

Датчик 5

Рисунок 9 - Изменение среднего уровня напряжений при различной объёмной подаче воздуха (а) и фотография подшипника (б) после проведения экспериментальных исследований

Датчике

Датчик?

В третьей главе создана методика моделирования структуры течения рабочей жидкости, позволяющая определять местные источники гидродинамического нагружения конструктивных элементов ШЦС и устраняющая неточности, допущенные Гаспаровым М.С. Для этого проведён подбор граничных условий. Сеточные модели построены с учётом обеспечения параметра у-=1. Разработанная модель базируется на том, что при обтекании вращающихся тел в проточной части ШЦС могут образовываться отрывные вихри. На рисунке 10 представлены результаты определения распределения давления по элементам ШЦС. Из рисунка видно, что на всасывающей стороне шнека возникают зоны отрыва потока. ___________

В результате численного расчёта могут быть определе-"' 1 ' ны параметры вихрей и определена частота отрыва:

, С-5И ЬИрё АН 1 -—;—--;-■

в__

Щ ^^^ШШЩР где С - характерная скорость течения; й/? - число Струхаля;

АН - перепад давления на периферийном участке лопасти; 1к - максимальная длина каверны перед срывом.

При совпадении частоты отрыва вихрей с собственными частотами обтекаемого тепа происходит интенсификация поверхностных сил и вибраций.

Проведённый модальный анализ с помощью метода конечных элементов, а также метода простукивания рабочих колёс ШЦС показал, что собственные частоты шнека и центробежного колеса находятся в диапазоне 3700 - 5200 Гц.

Экспериментальные исследования показали, что на определенных режимах происходит совпадение частотного диапазона срывов потока с лопаток рабочих колёс с собственными частотами шнека и

Рисунок 10 - Распределение давления по элементам ШЦС

Частота Кривые: 1/1 Uncompressed

Частота [Hz]

15-10-^

В — D59: Nd3 (14) М4: FFT(C12) [Ра] 0 [s]

..... I .éüILI , , . . iJL.

1000

Кривые: 1/1 Uncompressed

3000 Частота [Hz]

центробежного колеса. При этом усиливается вибрация шнека, тем самым вызывая интенсификацию концевой кавитации (рисунок 11).

Гидравлическая схема экспериментального стенда (рисунок 12) для исследования рабочих процессов авиационных КНА, а также условия работы его агрегатов были максимально приближены к реальным условиям работы двигателя в полёте.

Экспериментальные исследования характерных режимов работы (рисунок 13, а) насосного агрегата, показали, что изменение напряжений на

подшипнике связано с изменением осевого положения ротора ШЦС (рисунок 13, б), что подтверждает гидродинамическую природу Рисунок 12 - Гидравлическая схема стенда

причины нагружения подшипникового узла. Проведённый анализ рабочих процессов КНА показал, что наиболее неблагоприятными режимами его работы являются режимы с относительно небольшим расходом и высокими оборотами - режимы, соответствующие полётному малому газу.

Рисунок 11 - Спектры пульсаций давления на режиме N = 4325 об/мин, вШЦС =8682 кг/ч, Pin = 1,9 кгс/см*, Т=45 °С: а - на выходе из ЩЦС; б - в полости между ступенями насоса

Режимы работы насосного агрегата

¡11111111111111111 СУп

а б

Рисунок 13 - Изменение рабочих параметров в зависимости от режима работы КНА: а - изменение расхода топлива и частоты вращения ротора ШЦС по режимам; б - изменение значений перемещения вала ротора ШЦС и напряжений на подшипнике в зависимости от отношения расхода через насос и частоты вращения ротора.

В четвертой главе разработаны конструктивные мероприятия по снижению динамической нагруженное™ КНА. Экспериментально подтверждена эффективность предложенных мероприятий. Для этого проведены экспериментальные исследования нагруженного состояния КНА в его нескольких компоновках в широком диапазоне его рабочих режимов.

Для снижения динамической нагруженное™ КНА на основе численного и экспериментального исследований были предложены следующие мероприятия для стабилизации потока на входе в ШЦС:

перенос сливных магистралей от агрегатов. Сливные магистрали переносятся на расстояние трёх метров в питающий трубопровод до входа в насос (рисунок 14, а);

установка на вход в насосный агрегат экрана (рисунок 14, б) и обтекателя, устанавливаемого на вал для предотвращения перетечек от ШС и улучшения условий набегания потока (рисунок 14, в).

Экран устанавливается на место передней опоры. Экран представляет собой перфорированную цилиндрическую деталь с фланцем на конце. Внутренняя область этой детали имеет шесть рёбер. Такая конструкция призвана «успокоить» поток на входе в насос, за счёт разбиения его на более мелкие составляющие, а также выровнять поток, поступающий из питающего трубопровода (вход в насос разбивается на шесть секторов). Штатная конструкция передней опоры насоса имеет только три таких ребра. При этом вся рабочая жидкость из сливных и перепускных магистралей попадает в проточную часть ШЦС через отверстия в цилиндрической части экрана.

Рисунок 14 - Мероприятия для снижения динамической нагруженности КНА: а - перенос сливных магистралей в питающий трубопровод; б - внешний вид экрана; в - конструкция с экраном и обтекателем

На рисунке 15, а представлена пульсационная картина на входе в ШЦС при различных вариантах её компоновки. Из рисунка видно, что изменение конструкции приводит к улучшению структуры потока (снижению интенсивности обратных токов). Предложенные мероприятия позволяют помимо устранения обратных токов снизить вибрационную нагрузку комбинированного агрегата (рисунок 15, б).

1КЯ

и (Кб

0.4

X оа

0.2

1К6

ол

1 1 ля компоновка; нотка с перенесёнными слит*

и обтек*/ ем

1 ШШ

1 2 3

- 120 100 £ 80 I 60

и 40 | 20 аз О

—•— Штатная конструкция

—

Л К О

I М 00 № О

№ режима

1/1 С1 О

СП <Т> О О

Врем

а б

Рисунок 15 - Эффективность разработанных мероприятий: а - осциллограммы пульсаций давления, замеряемые перед шнеком; б - зависимость виброускорения на вхо, в ШЦС по горизонтальной оси, перпендикулярной оси вращения ротора, в зависимости от режима работы Кп

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решены задачи по разработке методики исследования динамической нагруженности КНА и разработке средств её снижения на основе физического и численного моделирования рабочих процессов течения многокомпонентной жидкости, состоящей из керосина, его паров и воздуха, и получены следующие результаты:

1. Разработана и реализована с помощью метода конечных объёмов математическая модель рабочих процессов ШЦС КНА, учитывающая гидродинамическое взаимодействие ступеней КНА. Модель описывает многокомпонентное течение в ШЦС КНА с учётом влияния ШС и конструктивных особенностей насосного агрегата. Разработанная модель позволяет одновременно определять зоны вихреобра-зования, зоны зарождения кавитации, определять структуры течения и нагруженность элементов ШЦС, а также её энергетические и кавитационные характеристики.

2. Разработанная методика по определению гидродинамического нагружения элементов ШЦС позволила выявить основную причину повышенного динамического нагружения подшипникового узла КНА - попадание нерастворённого воздуха в его питающую магистраль.

3. Создана модель акустико-вихревого резонанса рабочих колёс ШЦС, на основе которой выявлена причина интенсификации нагружения ротора ШЦС, заключающаяся в совпадении собственных частот колебаний шнека, центробежного колеса, частоты отрыва вихрей с рабочих колёс и частот колебаний, вызванных ШС.

4. Разработаны конструктивные мероприятия по снижению динамических нагрузок в гидромеханических системах с КНА: на вход с насос устанавливается обтекатель и экран, представляющий собой перфорированную цилиндрическую деталь и имеющий шесть радиальных лопаток. Данные конструктивные мероприятия стабилизируют поток на входе в насос за счёт разбиения его на более мелкие составляющие, а также выравнивают поток, поступающий из питающего трубопровода. Разработанные мероприятия позволили устранить обратные токи на входе в трубопровод, за счёт чего уменьшили более чем в два раза эффективное значение пульсаций и вибраций по каналу КНА, а также значения напряжений на подшипнике.

Таким образом, поставленная цель исследования достигнута.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях перечня ВАК

1. Гафуров, С А Разработка численной модели рабочего процесса топливного шнеко-центробежного насоса / С.А. Гафуров, М.Г. Михеев, Л.В. Родионов, А.Н. Крючков, Е.В. Шахматов// Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университет), 2011 - №3 (27). - С. 254-263.

2. Гафуров, С.А. Исследование влияния схемы топливопитания на пульсационно-вибрационное состояние насосного агрегата / С.А. Гафуров, В.И. Перминов, Л.В. Родионов, А.Н. Крючков, Е.В. Шахматов II Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2012. - Т. 14. - N«4. - С. 254261.

3. Гафуров, СА Исследование влияния нерастворенного воздуха в рабочей жидкости на нагруженное состояние комбинированного насосного агрегата / С.А. Гафуров, В.И. Перминов, Л.В. Родионов, А.Н. Крючков, Е.В. Шахматов // Известия Самарсхого научного центра Российской академии наук, 2012. -Т. 14,-№4.-С.248-253.

4. Гафуров, С.А. Влияние конструкции входного участка шнеко-центробежной ступени комбинированного насоса на его вибрационное и пульсационное состояния / С.А. Гафуров, Л.В. Родионов, А.Н. Крючков, Г.М. Макарьянц, Е.В. Шахматов II Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университет), 2011. -№2(33).-С. 155-163.

5. Гафуров, СА Исследование причин разрушения подшипниковой опоры шнекоцентробежной ступени комбинированного насосного агрегата / СА. Гафуров, Л.В. Родионов, А.Н. Крючков, Г.М. Макарьянц, Е.В. Шахматов// Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени

академика С.П. Королёва (национального исследовательского университет), 2011. - № 2(33). - С. 164171.

6. Гафуров, С A CFD моделирование попадания воздуха в питающий трубопровод топливной системы / С.А. Гафуров, Л.В. Родионов II Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университет), 2012. -№3 (34). -Ч. 2.-С. 57-62

7. Гафуров, С А Исследование причин разрушения подшипниковой опоры шнекоцентробежной ступени комбинированного насосного агрегата / С.А. Гафуров, Л.В. Родионов, Е.В. Шахматов II Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университет), 2012. - №3 (34). - С. 63-68.

Статьи в научных изданиях

8. Гафуров С.А. Снижение динамической нагруженности комбинированного насосного агрегата / С.А. Гафуров, Л.В. Родионов, А.Н. Крючков, Е.В. Шахматов II Журнал «Насосы. Турбины. Системы» -Воронеж, 2012 - №2 (3) - С. 26-33

Публикации в трудах международных и всероссийских конференций

9. Батрокова, О.В. Применение модального анализа для исследования акустико-вихревого резонанса лопасти шнека I О.В. Батрокова, С.А. Гафуров, Г.М. Макарьянц II «X Королевские чтения»: сборник трудов молодёжной научно-технической конференции с международным участием. - Самара, СГАУ,2009.-Т. 1.-С. 148.

10. Гафуров С.А. Разработка численной модели обтекания консольно-закрепленной пластины I С.А. Гафуров, Г.М. Макарьянц II «X Королевские чтения»: сборник трудов молодёжной научно-технической конференции с международным участием. - Самара, СГАУ, 2009. - Т. 1. - С. 147.

11. Гафуров С А Разработка численной модели обтекания консольно-закрепленной пластины с учетом ее податливости при наличии кавитации / С.А. Гафуров, Г.М. Макарьянц, А.Н. Крючков II Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов международной научно-технической конференции - Самара, СГАУ, 2009 - с. 8.

12. Гафуров С.А. Разработка численной модели диагностирования кавитационных явлений в шне-ко-центробежном насосе / С.А. Гафуров, А.Н. Крючков, Е.В. Шахматов II Человек и космос: XIII Международная молодежная научно-практическая конференция: материалы докладов международной молодежной научной конференции - Днепропетровск, ДНУ, 2011. - С.18

13. Гафуров С .A. Dynamic load reduction of pump unit I С.А. Гафуров, Л.В, Родионов, А.Н, Крючков, Е.В. Шахматов II Hydraulics and Pneumatics 2012: материалы докладов международной научно-технической конференции - Вроцлав, 2012. - Р.28-35

14. Гафуров САЧисленное 2.5D моделирование течения в шестеренном насосе / С.А. Гафуров, А.А. Горшкалёв, Л.В. Родионов II Динамика и виброакустика машин: сборник трудов международной научно-технической конференции с участием молодых ученых - Самара, СГАУ, 2012. - С. 108

15. Гафуров С А Численное исследование гидродинамических процессов, происходящих в системе смазки подшипникового узла / С.А. Гафуров, Е.В. Шахматов II Динамика и виброакустика машин: сборник трудов международной научно-технической конференции с участием молодых ученых - Самара, СГАУ,2012.-С. 109

16. Гафуров СА. Численное моделирование колебаний осевой силы, действующей на ротор шне-ко-центробежного насоса, с учетом наличия воздуха в питающем трубопроводе / С.А. Гафуров, Г.М. Макарьянц, М.Г. Михеев, А.Н. Крючков II Динамика и виброакустика машин: сборник трудов международной научно-технической конференции с участием молодых ученых - Самара, СГАУ, 2012. - С. 111

Подписано в печать 4.09.2013.

Формат 60 х 84/16. Бумага ксероксная. Печать оперативная.

Объем -1,0 усл. п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 49.

Отпечатано в типографии ООО «Инсома-пресс» 443080, г. Самара, ул. Сапфировой, 110 А; тел.: 222-92-40

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Гафуров, Салимжан Азатович, Самара

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ

АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЁВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)"

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

На правах рукописи

ГАФУРОВ Салимжан Азатович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ю см

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -д.т.н., профессор ШАХМАТОВ Е.В.

Самара-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................4

1 ОБЗОР РАБОТ В ОБЛАСТИ ВИБРОАКУСТИКИ КОМБИНИРОВАННЫХ НАСОСОВ....................................................................................................................................9

1.1 АНАЛИЗ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА.............................9

1.2 ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИЧИН ПОВЫШЕННОГО ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ.....................................................................................15

1.2.1 Обзор работ по исследованию влияния присоединённых агрегатов на нагруженное состояние КНА.....................................................................................................................................15

1.2.2 Обзор работ по исследованию причин гидродинамической неустойчивости течения потока в проточном канале ШЦС.......................................................................................................20

1.3 ОБЗОР РАБОТ ПО ОЦЕНКЕ УТЕЧЕК В ШЕСТЕРЁННОМ НАСОСЕ.................................38

1.4 ОБЗОР РАБОТ ПО СНИЖЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ШН................44

1.5 ОБЗОР РАБОТ ПО СНИЖЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ШЦН.............49

1.6 ОБЗОР РАБОТ ПО ЧИСЛЕННОМУ АНАЛИЗУ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ЛОПАТОЧНЫХ НАСОСОВ.............................................................................................................................................52

1.7 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................................55

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ.........................................................................................................57

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТУПЕНЕЙ КНА............................................................................58

2.1 ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТУПЕНЕЙ КНА..........................................................................................58

2.2 ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТУПЕНЕЙ КНА...........................................................................................81

2.3 ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ШЦС, УЧИТЫВАЮЩЕЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СТУПЕНЕЙ...........................................................................................................................................87

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ.........................................................................................................97

3 ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КНА..............................................................98

3.1 ОПИСАНИЕ СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ.......................................................................98

3.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КНА......................................................................................................................................................108

3.2.1 Экспериментальные зависимости изменения статических и динамических параметров КНА от его режима работы...............................................................................................................110

3.2.2 Экспериментальные исследования влияния нерастворенного воздуха на вибрационное и пульсационное состояния элементов КНА......................................................................................113

3.2.3 Экспериментальные исследования влияния нерастворенного воздуха...............................116

на виброакустическое состояние КНА.............................................................................................116

3.3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ШЦС ПРИ ЕЁ РАБОТЕ НА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ЖИДКОСТИ........................................................................................................................................123

3.3.1 Описание методики численной оценки гидродинамического нагружения конструктивных элементов ШЦС при её работе на многокомпонентной жидкости...............................................123

3.3.2 Результаты применения методики численной оценки гидродинамического нагружения конструктивных элементов ШЦС при её работе на многокомпонентной жидкости..................125

3.4 АКУСТИКО-ВИХРЕВОЙ РЕЗОНАНС ШЦС............................................................................129

4 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ....................................................137

4.1 ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ КНА..................................................................................................................137

4.2 ЧИСЛЕННАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ 139

4.3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ........................................................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Надёжность силовых установок двигателей летательных аппаратов во многом определяется функционированием систем топливопитания и регулирования. Одним из наиболее ответственных узлов данных систем являются насосные агрегаты. Известны многочисленные случаи отказов и аварий авиационной техники по причине выхода из строя данных агрегатов. Наиболее остро эта проблема стоит для форсажных силовых установок, работающих в жёстких условиях эксплуатации. Насосные агрегаты относятся к числу наиболее нагруженных элементов силовых установок, при этом напряжения в деталях качающих узлов насосов сравнимы лишь с напряжениями наиболее нагруженных элементов двигателей. Вследствие этого ресурс насосов, как правило, в 2-3 раза ниже ресурса самих силовых установок, величина которых, как правило, составляет от 15 до 20 тысяч моточасов.

Топливные насосы современных форсажных двигателей, установленных на высотных летательных аппаратах (прежде всего самолётах стратегической и дальней авиации) испытывают значительные динамические нагрузки. Это связано с тем, что они выполняются, как правило, комбинированными (КНА) (включающими шнекоцентробежную (ШЦС) -подкачивающую и основную - шестеренную ступени (ШС)) и подвержены интенсивным скрытым кавитационным процессам. Наличие последних связано с многорежимностью подкачивающих ступеней, обеспечивающих широкий диапазон расходов в основную и форсажную камеры сгорания двигателя. Отличительной особенностью рассматриваемых систем топливопитания авиационных двигателей с КНА является то, что как на форсажном, так и на бесфорсажных режимах работы всё топливо, потребляемое двигателем, прокачивается через ШЦС. Это приводит к работе ШЦС на нерасчётных режимах и к интенсификации кавитационных процессов, часто носящих скрытый характер. Такая скрытая кавитация, не приводя к срыву напора, вызывает существенную динамическую и виброакустическую нагруженность элементов насоса.

Как известно, отличительной особенностью систем топливопитания двигателей летательных аппаратов является наличие в ней большого числа функционально связанных гидромеханических элементов и агрегатов, каждый из которых может служить источником колебаний или повышенного шума, а их взаимное влияние может вызывать автоколебания в системе. Сложная структура авиационных агрегатов топливных систем, множество факторов, влияющих на их работу, обуславливает и множество причин, вызывающих нестационарность процессов в системе.

В ходе эксплуатации КНА, содержащих ШЦС и ШС, выявлено, что основным элементов, лимитирующим их ресурс и надёжность, является радиально-упорный подшипник скольжения,

устанавливаемый в ШЦС [1]. Проводимые исследования в ОАО «НПП «ТЕМП» имени Ф. Короткова», ОАО «НПП «ЭГА», СГНПП «Труд», ОАО «СКБМ», ОАО «КУЗНЕЦОВ» а также на кафедре автоматических систем энергетических установок СГАУ не позволили однозначно установить причину повышенного износа радиально-упорного подшипника скольжения ШЦС КНА.

На сегодняшний момент времени отсутствуют работы по численному моделированию ШЦС КНА, в которых учитывается взаимодействие ШЦС и ШС. Отсутствуют методики проведения численного анализа кавитационных процессов в ШЦС, позволяющие прогнозировать её энергетические и кавитационные характеристики, а также прогнозировать нагруженное состояние элементов насоса в случае попадания свободного воздуха. До сих пор нет достаточных сведений о нестационарных пульсациях давления и нестационарном нагружении лопаток ШЦС. Вместе с тем проектирование ШЦС КНА достигло того уровня, при котором только детальное представление течения потока в нём даёт возможность повысить его энергетические и кавитационные характеристики. Таким образом, для повышения надёжности КНА, необходима разработка средств, позволяющих снизить их динамическую нагруженность, а также создание методов, позволяющих прогнозировать нагруженное состояние их основных элементов на различных режимах работы. Необходимо математическое и экспериментальное исследование механизмов взаимодействия элементов насосного агрегата, с учётом протекающих в нём кавитационных процессов и наличия нерастворённого газа.

Поэтому целью диссертации является разработка методики исследования динамической нагруженности КНА и разработка средств её снижения на основе физического и численного моделирования рабочих процессов течения многокомпонентной жидкости, состоящей из керосина, его паров и воздуха.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:

- анализ методов и средств снижения динамической нагруженности шестерённых и шнекоцентробежнных насосов;

- разработка методики расчёта динамического нагружения конструктивных элементов

ШЦС при её работе на многокомпонентной рабочей жидкости;

Научная новизна диссертации состоит в том, что:

1. разработана математическая модель, описывающая рабочие процессы в ШЦС КНА, учитывающая гидродинамическое воздействие ШС, и позволяющая одновременно получать энергетические и кавитационные характеристики ШЦС. При этом для описания кавитационных процессов используется модель, основанная на модифицированном уравнении Рэлея-Плессета, которое учитывает зависимость вязкости и плотности жидкости от её температуры и давления;

2. разработана методика определения гидродинамического нагружения элементов ШЦС для случая её работы на многокомпонентной жидкости. Методика учитывает влияние ШС, а также взаимодействие компонентов рабочей жидкости. Показана перспективность её использования для численного исследования влияния на нагруженное состояние элементов ШЦС нерастворённого воздуха, попадающего в её питающую магистраль;

3. создано и обосновано положение об акустико-вихревом резонансе рабочих колёс ШЦС, что позволило разработать математическую модель акустико-вихревого резонанса рабочих колёс ШЦС, позволяющую определять местные источники интенсификации нагружения ступени во всём диапазоне её рабочих режимов;

4. разработаны конструктивные мероприятия, позволяющие снизить динамическую нагруженность КНА за счёт одновременного устранения обратных токов на входе в ШЦС, а также разбиения потоков рабочей жидкости из сливных и перепускных магистралей на серию более мелких без изменения конфигурации и конструкции внешней обвязки насосного агрегата; разработан алгоритм выбора их конструктивных параметров в зависимости от геометрических и рабочих параметров КНА.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- предложенные методики исследования динамической нагруженности КНА и конструктивные средства снижения динамической нагруженности КНА обеспечивают реализацию актуальных задач по обеспечению их высокой надёжности и использованы при выполнении опытно-конструкторских работ на ОАО «КУЗНЕЦОВ» (г. Самара) и НПП «ТЕМП им. Ф. Короткова» (г. Москва). Основополагающие материалы диссертации используются в учебном процессе СГАУ.

Диссертационная работа выполнена на кафедре автоматических систем энергетических установок Самарского государственного аэрокосмического университета (национального исследовательского университета) в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии.

На основании проведённого анализа в первой главе диссертации сформулированы цель и задачи исследований.

метода конечных объёмов, реализованная в коммерческом продукте АЫБУЗ СБХ. Получены и подтверждены результатами экспериментов энергетические и кавитационные характеристики ШЦС. Представлено математическое описание модели гидродинамического взаимодействия ступеней КНА

В четвертой главе разработаны конструктивные мероприятия по снижению динамической нагруженности КНА. Экспериментально подтверждена эффективность предложенных мероприятий. Для этого проведены экспериментальные исследования нагруж�