Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем (стр. 10 )

б) массовый  или объемный расхода топлива ;

в) потребное давление на выходе из насоса рвых;

г) номинальное рвх, и минимальное рвх min давления на входе в насос.

Массовый расход жидкости  и давление подачи рвых определяются потребностями потребителя.

Значение массового расхода топлива определяется тягой и удельным импульсом двигателя:

,

где Р - тяга, Н; J - удельный импульс, .

Массовый расход каждого из компонентов топлива можно определить по суммарному расходу топлива и выбранному значению соотношения компонентов топлива km:

.

Тогда получим:

; .

Давление на входе в насос рвх и рвх.min определяются номинальным и минимально возможным давлением в баке, из которого жидкость поступает в насос. Обычно, рвх  = 0,6...0,8 МПа, рвх min = 0,4…0,6 МПа.

Выходное и номинальное входное давление определяют требуемый напор насоса:

Дж/кг. (2.12)

Зависимость (2.12) показывает, что чем больше давление на входе, тем меньше потребный напор насоса, а это ведет к уменьшению его мощности и размеров.

Угловая скорость вала ω является важнейшей характеристикой насоса, определяхщей его размеры и экономичность. С увеличением угловой скорости уменьшаются размеры и, как правило, повышается экономичность насоса.

Однако выбор больших оборотов усложняет конструкцию насоса, затрудняет обеспечение прочности насоса, его работоспособности.

Угловая скорость определяет такую важную характеристику насоса, как коэффициент быстроходности:

, (2.13)

где  - объемный расход жидкости через насос, м3/с; ω - угловая скорость вала, рад/с; Н - напор насоса, Дж/кг.

Коэффициент быстроходности, в частности, определяет тип насосе (рис. 2.5). Если ns = 40...300, то насос будет центробежного типа. Значения ns = 300...600 соответствуют диагональным насосам, а ns = 600 - осевым насосам [6].

При использовании для привода насоса электродвигателя обороты насоса будут равны оборотам ротора электродвигателя:

 = 140…300 рад/с.

 

Рис. 2.5. Типы насосов:

а - центробежный; б - диагональный; в - осевой

 

Если при этих оборотах коэффициент быстроходности насоса ns получается меньше 50...70, то насос следует выполнить многоступенчатым. Это усложняет конструкцию насоса, на зато повышает его КПД и, следовательно, уменьшает потребляемую мощность. Количество ступеней насоса Z определяется так, чтобы коэффициент быстроходности ступени nsступ был не ниже 50...70:

, (2.14)

где H/Z = Hст - напор ступени насоса.

Выбор значения nsступ = 50…70 объясняется тем, что при меньших nsступ значительно падает КЦД насоса (ηн) за счет увеличения, в частности, затрат мощности на трение дисков колеса о жидкость. Уменьшение же КПД ведет к повышению мощности насоса. Зависимость КПД от ns приведена на рис. 2.6 [6, 7].

Рис. 2.6. Зависимость КПД насоса от коэффициента быстроходности

 

При использовании электродвигателя в качестве привода обороты насоса можно увеличить применением шестеренчатого мультипликатора. Мультипликатор является устройством, сложным в изготовлении и эксплуатации, поэтому его использование может быть оправдано, если при этом удается выполнить насос одноступенчатым. Кроме того, условия эксплуатации мультипликатора требуют создания на стенде специальных систем смазки и охлаждения, что усложняет системы и технологию испытаний.

Вместо электродвигателя для привода насоса можно использовать газовую или паровую турбины. При этом можно получить большие мощности при небольшой массе конструкции и более высокие угловые скорости (до ω = 1500...2000 рад/c). Это позволяет в случае высоких напоров сделать насос одноступенчатым с ns > 50...70 и с малым диаметром. Однако турбинный привод трудно создать, а его применение значительно усложняет стендовые системы: нужны дополнительные источники газа (пара) на стенде, магистрали подвода газа, системы регулирования и управления турбиной.

Если обороты насоса выбраны, то следует определить, достаточно ли заданного минимального давления на входе для работы насоса без кавитационного срыва. Можно для этого воспользоваться выражением кавитационного коэффициента быстроходности:

. (2.15)

Из выражения (2.15) находим

(2.16)

Для центробежных и диагональных насосов без шнеков можно получить Сcрв = 800...1500. Если при этих значениях минимальное давление меньше или равно заданному (), то насос будет работать без кавитационного срыва. В противном случае насос не будет выдавать нужного напора и расхода. Для обеспечения бескавитационной работы насоса надо увеличить давление на входе рвхmin, уменьшить температуру перекачиваемой жидкости, что вызовет уменьшение рупр или использовать в насосе шнековое колесо, расположенное перед основным центробежным или диагональным колесом. Применение шнекового колеса позволяет увеличить Ссрв до 3000...5000 [6, 7, 22].

Следует, однако, иметь в виду, что постановка шнека помимо усложнения конструкции имеет недостаток, который заключается в необходимости замены шнека через определенное время. Дело в том, что он подвергается кавитационной эрозии, разрушающей лопатки шнека. Эрозия вызвана кавитацией в шнеке, которая имеет место даже при устойчивой работе насоса с входным давлением, большим , или равным ему, и выдачи необходимого напора и расхода.

Рассмотрев выражение (2.15), можно отметить, что при прочих равных условиях увеличение давления на входе позволяет повысить обороты насоса и, следовательно, уменьшить его размеры. Последнее особенно важно при проектировании высоконапорных насосов.

Кроме того, следует учесть, что при заданном давлении на входе в насос из выражения (2.15) можно однозначно определить угловую скорость ротора:

. (2.17)

Диаметры входного и выходного патрубков можно найти, задавшись скоростью потока:

 м;

 м.

Скорость потока на входе и выходе насоса выбирается сравнительно небольшой для исключения значительных гидроударов при закрытии клапанов в магистралях питания. Кроме того, при выборе входной скорости также учитывается то, что умеренная скорость способствует повышению антикавитационных свойств насоса (увеличению Ссрв). Обычно вх = 5…10 м/с; вых = 10…20 м/с.

Наружный диаметр колеса необходимо знать для определения размеров насоса. Если известен диаметр колеса Dк, то при выбранной угловой скорости вала можно определить окружную скорость uк:

uк = м/с. (2.18))

Чем больше окружная скорость, тем выше напор насоса. Однако из соображений прочности окружная скорость колеса не должна превышать 350…450 м/с. При заданном напоре насоса (2.12) можно определить необходимую окружную скорость и затем его диаметр:

Dк =  м, (2.19)

где Кн = 0,6 – 0,65 – коэффициент напора.

Диаметр насоса Dн больше диаметра колеса. По статистическим данным:

Dн = (1,3…1,6) Dк; (2.20)

Lн = (1,5…1,7) Dк, (2.21)

где Lн – длина насоса (или ступени насоса).

При этом меньшие значения коэффициентов в формулах (2.20) и (2.21) соответствуют коэффициенту быстроходности ns = 30…60, а большие значения – ns = 130…150.

Массу насоса можно определить по его условному объёму:

Vн = ;

, (2.22)

где коэффициент К = 0,5 - 0,6; ρмат – плотность материала деталей насоса.

Если детали в основном предполагается выполнять из стали, то ρмат ~ 8000 кг/м3, если из алюминиевых сплавов, то ρмат ~ 3000 кг/м3.

При использовании стальных и алюминиевых материалов следует принимать промежуточные значения плотности материалов.