Повышение кавитационных качеств насосного агрегата жидкостного ракетного двигателя при подаче криогенных компонентов топлива

Накопленный в отечественном ракетном двигателес-троении практический опыт разработки насосных агрегатов ЖРД обусловил принятие конструктивных решений преимущественно с закрытыми рабочими колесами (РК). При подаче рабочих тел перед высоконапорной центробежной ступенью устанавливается низконапорная бустерная ступень, обеспечивающая заданные кавитационные качества насосного агрегата [1; 2]. Развитие ракетной техники характеризуется необходимостью использования жидкого водорода в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей.

Водород обладает рядом особенностей теплофизических свойств, таких как относительно низкая плотность и высокая сжимаемость в жидком состоянии, высокая теплоемкость и существенная зависимость ее от температуры и плотности, низкая температура сжижения, узкий температурный диапазон существования в жидком состоянии и т. д. Эти свойства водорода, существенно отличные от соответствующих свойств компонентов топлива, в том числе и криогенных, применяемых в ракетной технике, обусловили необходимость решения ряда новых инженерных и научных проблем, связанных с созданием производственной базы, средств хранения и транспортировки, средств испытаний двигателей и отдельных его агрегатов, а также двигателей и ракетных ступеней. Так, например, напорные характеристики водородных насосов имеют возрастающие ветви при любом виде напорной характеристики, получаемой на несжимаемой жидкости. Ограничен диапазон работоспособности водородных насосных агрегатов по расходу малых величин [3].

закрытым рабочим колесом и значением коэффициента быстроходности ns <  50 [2].

В работе [4] показано, что кавитационные качества низконапорных ступеней лопастных насосов при перека- чивании криогенных жидкостей значительно лучше, чем при работе на воде, что учитывается с помощью термодинамической поправки A hr к критическому кавитационному запасу насоса при работе на модельной жидкости Ahкр.м :

A _h = p вхкр — р ^п ₊ с в = a _h - a h т ,         (1)

ρ2 ж где Ahкр - критический кавитационный запас насоса при работе на натурной жидкости; рвх, свх – давление и скорость потока на входе в насос, соответственно; рп – упругость насыщенных паров жидкости.

В случае работы бустерных насосов ЖРД на жидком водороде значение A h _т может быть больше величины A h _кр . _м, что позволяет удовлетворительно перекачивать насосом жидкий водород в кипящем состоянии [1]. Однако эта закономерность чаще всего не подтверждается применительно к основным высоконапорным насосам ЖРД, особенно при их работе на жидком водороде, когда велик градиент изменения упругости насыщенных паров в зависимости от температуры. Если такие насосы имеют низкий коэффициент быстроходности n_s , то их кавитационные качества на водороде могут быть значительно хуже, чем на воде [5].

Таким образом, для насосов с закрытым рабочим колесом кавитационные качества при работе на водороде существенно ниже, чем при работе на воде, причем они снижаются с ростом числа оборотов вала насоса и повышением температуры водорода. Такое поведение параметров связано с влиянием сброса нагретых во вспомогательном тракте насоса утечек рабочего тела во входной участок насоса. Утечки, поступающие через переднее уплотнение насоса или другие вспомогательные каналы не успевают полностью перемешаться с основным потоком и образуют на входе в рабочее колесо закрытого типа локальную нагретую область, в которой упругость насыщенных паров р _п.ут утечек существенно больше упругости насыщенных паров в основном потоке р _п. И тогда кавитационный срыв режима работы насоса определяется расходом утечек, поступающих в основной поток в этой области. В работе [5] отмечается, что только в ряде зарубежных кислородо-водородных ЖРД (двигатель RL-10 (США) и НМ-7 (Франция)) проблем по кавитационным качествам нет, так как в насосе применяется полуоткрытое РК.

С целью уточнения основных особенностей гидродинамики в каналах полуоткрытого РК и оценки подогрева рабочей жидкости проведен ряд экспериментов, в том числе и по визуализации течения в проточной части таких насосов.

Рис. 1. Флюгерки в зазоре между торцами лопаток полуоткрытого РК и корпусом насоса при to = 1047 рад/с

Фотографирование наклеенных флюгерков на стенке между корпусом насоса и открытыми лопатками РК (рис. 1) при испытании в широком диапазоне изменения режимных параметров насоса (V = 0...1,5Vном) и измене -нии осевого зазора от 0,5 до 3 мм показало, что для различных радиусов соблюдается постоянство отношения радиальной составляющей скорости Vr от окружной: У / rU = фr. Это дает основание выразить скорость радиального течения в осевом зазоре от периферии РК к центру, с учетом коэффициента скольжения потока фл в окружном направлении относительно РК следующим образом:

V = U ф r = UK r Ф л ,              (2)

где K_r – экспериментальная константа, K_r = 0,45.

В дополнение к опытам по визуализации течения в межлопаточных каналах (см. рис. 1) для уточнения структуры потока в РК полуоткрытого типа проводились опыты с измерением полей давления по радиусу модельного РК. Трубки отбора давлений имели толщину стенки 0,15 мм с внутренним диаметром 0,75 мм. Ввиду того, что осевая составляющая скорости в осевом зазоре очень мала по сравнению с другими ее компонентами, то тип насадки выбирался с учетом измерения не полной скорости, а только суммы ее окружной и радиальной составляющих, что позволило остановится на более простых ее конструктивных формах.

Измерение параметров потока в осевом зазоре с лопаточной стороны РК проводилось дифманометром типа ДТ-50. При испытании одна полость дифманометра соединялась с трубкой отбора статического давления, вторая – с трубкой полного давления, расположенной на том же радиусе. Трубку полного давления можно было устанавливать в разных направлениях и перемещать в осевом зазоре. При измерении она устанавливалась в направлении максимального значения перепада давления и по известному углу наклона определялась величина радиальной составляющей скорости потока. Обработка полученных данных показала, что для различных радиусов РК соблюдается постоянство отношения радиальной составляющей скорости от окружной.

Опытные данные изменения коэффициента ф r радиальной составляющей скорости от расхода через полуоткрытое РК представлены на рис. 2. Там же представлены аналогичные опыты для импеллеров [6] ( V = 0).

Рис. 2. Зависимость коэффициента радиальной со ставляющей скорости в полуоткрытом РК при изменении расхода

На основании проведенных исследований по визуализации потока и измерению его параметров в зазоре между вращающимся РК с открытыми торцами лопаток и гладким корпусом насоса можно представить модель струйно-вихревого обтекания каналов РК (рис. 3). Поток жидкости в межлопаточном канале такого РК подвергается непосредственному силовому воздействию лопаток. Жидкость в зазоре a ₁ закручивается за счет сил трения и проскальзывает относительно торцов лопаток РК. Таким образом, на одном и том же радиусе частицы жидкости в канале и осевом зазоре a ₁ движутся с различной окружной скоростью, что приводит к относительному их перемещению в радиальном и осевом направлениях.

Рис. 3. Схема струйно-вихревого течения в каналах полуоткрытого РК

Таким образом, как на входном участке РК с открытыми лопатками, так и по его радиусу не вся проточная часть каналов колеса заполнена потоком, движущимся от входа в РК до выхода. Частично его проточная часть заполнена обратным течением. Закрученные в сторону вращения РК обратные точки перетекают в соседний канал на меньший радиус и увлекаются обратно в проточ- ную часть. При этом образуется течение, жидкость в котором постоянно обновляется за счет расходного течения через насос.

Рис. 4. Распределение температуры жидко сти по радиусу с лопаточной стороны рабочего колеса для разных расходов рабочих жидко стей

Основная доля подводимой к рабочему колесу ротора энергии затрачивается на привод лопаток, и, следовательно, теплота трения выделяется главным образом в осевом зазоре, с лопаточной стороны. Без эксперимента трудно установить, будет ли достаточно эффективно охлаждаться расходное течение жидкостью, циркулирующей в осевом зазоре рабочего колеса. Для ответа на этот вопрос были проведены измерения температуры жидкости в осевом зазоре a1 вдоль радиуса для открытых рабочих колес. Эти измерения показали, что в зазоре температура жидкости постоянна по радиусу и равна температуре на выходе из области лопаток в основной поток жидкости на периферии рабочего колеса ротора и незначительно (на 5–7 %) превышает значение температуры расходного течения до входа в РК (рис. 4). Таким образом, в полуоткрытом РК объемные утечки, влияющие на подогрев рабочей жидкости, не снижают кавитационные качества насосного агрегата, а перетекание жидкости с напорной стороны лопатки на тыльную стабилизирует тем- пературный режим насоса, исключая кавитационные явления при подаче водорода.

Струйно-вихревое обтекание лопаток полуоткрытого РК при перетоке на меньший радиус обеспечивает полное перемешивание основного расходного течения и вихревого потока в осевом зазоре, что исключает подачу нагретых утечек на вход центробежного колеса насоса.

Приведенные данные измерения градиента температуры по радиусу РК обеспечивают кавитационную устойчивость центробежного насоса с полуоткрытым РК при подаче криогенных компонентов топлив.

При использовании полуоткрытого РК в составе первой ступени водородного насосного агрегата ЖРД обеспечивается простота конструкции, технологичность в изготовлении, а при заданном обеспечении осевого зазора достаточные энергетические характеристики насосного агрегата.