Автоматизированное проектирование центробежного насоса турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя в среде инженерного комплекса ANSYS

Язык труда и переводы:
УДК:
629.76:621.67
Дата публикации:
24 декабря 2021, 13:27
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Аннотация:
Рассмотрены вопросы автоматизированного проектирования центробежного колеса, шнека и отводящего устройства насоса жидкостного ракетного двигателя с использованием программного комплекса ANSYS. Использованы параметрические возможности оптимизации гидродинамических характеристик. Рассчитаны параметры подвижных и стационарных проточных частей, обеспечивающие оптимальные гидравлические и кавитационные характеристики центробежного насоса.
Ключевые слова:
шнек, центробежный насос, турбонасосный агрегат, оптимизация гидродинамических характеристик
Основной текст труда

На сегодняшний день трудно представить разработку нового продукта без предварительного прогнозирования параметров, которые он может обеспечить. При разработке эскизного проекта необходимо дать общее представление об устройстве, принципе его работы и соответствии требованиям заказчика.

Все чаще перед конструктором ставятся сложные и нетривиальные задачи, решение которых чрезмерно трудоемко при использовании устоявшихся аналитических методик [1, 2], ввиду широкого спектра учитываемых переменных и граничных условий. Нахождение оптимальных характеристик агрегатов с использованием программных комплексов инженерного анализа может существенно облегчить работу конструктора [3–6].

Рассмотрен общий подход к расчету оптимальных параметров лопастной машины. Для решения поставленной задачи использовался пакет прикладных программ инженерного комплекса ANSYS, позволивший провести моделирование и расчет течения жидкости проточной части насоса горючего, исследуемого турбонасосного агрегата. Расчет проводили для шнекоцентробежного насоса с использованием условий периодичности и допущением, что в других межлопастных каналах шнека и центробежного колеса течение рабочей среды идентично.

Для реализации данного подхода необходимо было предварительно получить геометрию шнека и рабочего колеса (РК) согласно заданным параметрам (угловая скорость вращения, объемный расход, напор, рабочая среда). Форма меридионального сечения РК определена с использованием модуля Blade Design. Моделирование «сырой» геометрии колеса осуществлялось в стандартном модуле Geometry с использованием расчетной области Flow Path и геометрии лопатки Blade. Параметризация переменных, отвечающих за профиль лопатки и их количество, позволила добиться конечной геометрии центробежного колеса, соответствующей оптимальному распределению статического давления по профилю меридионального сечения по итогам расчетов в модуле Vista TF.

Геометрию шнека разрабатывали с использованием внутреннего CAD — ANSYS DesignModeler, где формировалась не конечная геометрия шнека, а объем, занимаемый рабочей жидкостью. Оптимизация геометрических параметров шнека осуществлялась в ANSYS CFX.

Основным требованием, предъявляемым к сеткам, генерируемых в модуле Mesh для шнека и отводящего устройства и модуле TurboGrid для РК, — это качественное разрешение физических эффектов, возникающих при продувке расчетной области.

По окончании подготовки к расчету все объекты вводились в ANSYS CFX, где разрабатывалась модель проточной части, с учетом периодичности поверхностей рабочего колеса. Для сопряжения граничных поверхностей использовалась функция Stage, приводящая к осреднению параметров расчета в направлении вращения. Данное допущение позволило проводить расчет течения без моделирования воздействия следов соседних лопастей.

При назначении граничных условий не учитывался режим течения с теплопереносом, так как полагалось, что для гидравлических машин данный параметр задействовать не обязательно, а в качестве модели турбулентности была назначена модель k – ε.  В качестве граничных условий на входе и выходе из проточной части для конечного расчета назначались полное давление на входе и расход на выходе. Однако некоторые серийные расчеты проводили с заданием полного давления на входе и статического давления на выходе, но в этом случае адекватность результатов также контролировали по интегральным параметрам расхода.

В итоге проведено моделирование центробежного колеса, шнека и отводящего устройства аппаратом ANSYS, а не внешними CAD-программами. Использованы параметрические возможности построения геометрии в проведении оптимизационных расчетов на заданные величины.

По результатам проведенной работы рассмотрены вопросы оптимизации гидродинамических характеристик. Получены параметры подвижных и стационарных проточных частей, обеспечивающие оптимальные гидравлические и кавитационные характеристики.

Литература
  1. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А., Курпатенков В.Д., Обельницкий А.М., Поляев В.М., Полуян Б.Я. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей / под ред. В.М. Кудрявцева. М.: Высшая школа, 1993. Кн. 2. 368 с.
  2. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1986. 374 с.
  3. Пугачев П.В., Свобода Д.Г., Жарковский А.А. Расчет и проектирование лопастных гидромашин. Расчет вязкого течения в гидромашинах с использованием пакета ANSYS CFX. СПб.: Изд-во Политех. ун-та, 2016. 120 с.
  4. Сулинов А.В., Шаблий Л.С., Зубанов В.М. Методы моделирования рабочего процесса водородных шнекоцентробежных насосов с использованием ANSYS CFD // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2015. Т. 14. № 3. Ч. 2. С. 305–313.
  5. Nipun P., Tejas N., Anand A. Investigation of Main Area of Cavitation in Centrifugal Pump Using Ansys CFX // International Journal of Engineering Technology, Management and Applied Sciences. 2017. Vol. 5. Iss. 4. URL: http://ijetmas.com/admin/resources/project/paper/f201704041491320630.pdf (дата обращения 01.12.2021).
  6. Rajendran S., Purushothaman K. Analysis of a centrifugal pump impeller using ANSYS-CFX // International Journal of Engineering Research & Technology. 2012. Vol. 1. Iss. 3. URL: https://www.ijert.org/research/analysis-of-a-centrifugal-pump-impeller-using-ansys-cfx-IJERTV1IS3098.pdf (дата обращения 01.12.2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.