Разработка методики исследования и средств снижения динамической нагруженности комбинированных насосных агрегатов

• Автор: Гафуров, Салимжан Азатович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 169 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЗОР РАБОТ В ОБЛАСТИ ВИБРОАКУСТИКИ КОМБИНИРОВАННЫХ НАСОСОВ
1.1 АНАЛИЗ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА
1.2 ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИЧИН ПОВЫШЕННОГО ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ
1.2.1 Обзор работ по исследованию влияния присоединённых агрегатов на нагруженное состояние КНА
1.2.2 Обзор работ по исследованию причин гидродинамической неустойчивости течения потока в проточном канале ШЦС
1.3 ОБЗОР РАБОТ ПО ОЦЕНКЕ УТЕЧЕК В ШЕСТЕРЁННОМ НАСОСЕ
1.4 ОБЗОР РАБОТ ПО СНИЖЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ШН
1.5 ОБЗОР РАБОТ ПО СНИЖЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ШЦН
1.6 ОБЗОР РАБОТ ПО ЧИСЛЕННОМУ АНАЛИЗУ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ЛОПАТОЧНЫХ НАСОСОВ
1.7 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ
2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТУПЕНЕЙ КНА
2.1 ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТУПЕНЕЙ КНА
2.2 ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТУПЕНЕЙ КНА
2.3 ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ШЦС, УЧИТЫВАЮЩЕЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СТУПЕНЕЙ
ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ
3 ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КНА
3.1 ОПИСАНИЕ СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
3.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КНА
3.2.1 Экспериментальные зависимости изменения статических и динамических параметров КНА от его режима работы

3.2.2 Экспериментальные исследования влияния нерастворенного воздуха на вибрационное и пульсационное состояния элементов КНА
3.2.3 Экспериментальные исследования влияния нерастворенного воздуха
на виброакустическое состояние КНА
3.3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ШЦС ПРИ ЕЁ РАБОТЕ НА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ЖИДКОСТИ
3.3.1 Описание методики численной оценки гидродинамического нагружения конструктивных элементов ШЦС при её работе на многокомпонентной жидкости
3.3.2 Результаты применения методики численной оценки гидродинамического нагружения конструктивных элементов ШЦС при её работе на многокомпонентной жидкости.
3.4 АКУСТИКО-ВИХРЕВОЙ РЕЗОНАНС ШЦС
4 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ
4.1 ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ КНА
4.2 ЧИСЛЕННАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ
4.3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

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,

б, мгр/л
1 1 ♦ Число кавитации, Qimi=0,795 Ш Число кавитации, QinH=0,
А Число кавитации, QniH=l,097 1 К " Число кавитации, Qiuh=1,
—ж—Растягивающая нагрузка, QniH=0,795 —•— Растягивающая нагрузка, Qiuh=0,
—+—Растягивающая нагрузка, Qiiih=1,097------------------Растягивающая нагрузка, QmH=l,
Рисунок 1.15 - Зависимость числа кавитации и растягивающих напряжений на лопатке шнека от количества свободного воздуха в рабочей жидкости
Результаты работы [40] показали, что число кавитации является функцией от состава смеси, т.е. число кавитации растёт с увеличением содержания газа в рабочей жидкости, растягивающие напряжения на лопатке колеса практически не зависят от объёмного содержания свободного газа.
Из работы [18] известно, что критическое газосодержание в потоке в значительной степени является функцией давления на входе перед ШЦН - Рвх- При этом, чем ниже давление Рвх, тем выше то относительное объёмное количество газа в жидкости, при котором насос не теряет своей работоспособности. В данной работе так же отмечается, что чем больше частота вращения вала насоса, тем при большем газосодержании в потоке происходит срыв режима работы насоса.
Указанные явления объясняются срывом центробежного колеса, а не шнека. Срыв центробежного колеса происходит при более низком газосодержании на входе, чем срыв шнека. При этом срыв насоса определяется только газосодержанием на входе и практически не зависит от давления на всасывании. Однако, отметим, что срыв режима работы центробежного колеса