Кавитация



КАВИТАЦИЯ (от лат. cavitas — пустота) в двигательных установках — нарушение сплошности потока жидкого ракетного топлива, заключающееся в образовании в нём полостей (т.н. кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром, газом и их смесью. Кавитация наблюдается в тех областях потока, где в результате местного повышения его скорости статическое давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения, близкого к давлению её насыщенного пара. Возникновению кавитации способствует растворённый в топливе газ (например, использующийся для наддува баков). В двигательных установках (ДУ) кавитационные явления могут наблюдаться в насосах, гидротурбинах, агрегатах автоматики и магистралях питания. За исключением некоторых специфических случаев кавитация является нежелательной, и при проектировании ДУ принимаются меры с целью её устранения или ослабления.

Наиболее сложные проблемы возникают при наличии кавитации в топливных насосах. В последних на установившемся режиме работы наблюдается значительное местное падение давления, вызванное обтеканием входных кромок лопаток (зона пониженного давления располагается с нерабочей стороны лопаток). Поэтому снижение давления во входных магистралях ЖРД может привести к возникновению развитой кавитации, следствием которой является срыв рабочего режима насоса, когда его напор, расход, КПД и мощность практически падают до нуля. При этом из-за изменения соотношений расходов топливных компонентов возможен прогар газогенератора, турбины турбонасосного агрегата (ТНА) или камеры ЖРД, а из-за нарушения баланса мощностей турбины и насоса также и разнос ТНА; в лучшем случае ЖРД просто перестанет работать. С возможностью таких нежелательных явлений приходится особенно считаться при запуске ЖРД, когда наблюдаются характерные «провалы» давления на входе в насос. При развитой кавитации насосов в ДУ могут возникнуть кавитационные автоколебания. Их совпадение по частоте с собственными колебаниями питающих магистралей, баков или корпуса ракеты-носителя (РН) приводит к продольной неустойчивости РН с возможным её разрушением. К вредным последствиям кавитации относится также разрушение (т.н. кавитационная эрозия) рабочих колёс насосов и элементов других гидравлических устройств, вызываемое микрогидроударами вследствие быстрой конденсации (захлопывания) кавитационных пузырьков, попадающих с потоком жидкости в область повышенного давления. При длительной работе ЖРД кавитационная эрозия может привести к ухудшению характеристик насоса и даже выходу его из строя. Уменьшение или предотвращение кавитационной эрозии достигается применением конструкционных материалов с высокими усталостными свойствами (нержавеющих сталей и специальных сплавов). Развитие кавитации в шнекеЕсли кавитацию исключить не удаётся, то в некоторых случаях оказывается полезным усилить её во входном осевом колесе насоса, создав (специфическим профилированием проточной части и выбором рабочих параметров) режим т.н. суперкавитации, при котором обтекание лопаток носит струйный характер и кавитационная каверна замыкается за ними, не приводя к разрушению.

Подавляющее большинство насосов ЖРД работает в режиме скрытой (т.е. слабо развитой) кавитации, при низком входном давлении, позволяющем снизить массу конструкции топливных баков и содержащегося в них газа наддува, системы наддува и в итоге массу всей ДУ. Для улучшения кавитационных качеств насосов перед высоконапорными рабочими колёсами устанавливаются низконапорные шнеки и другие осевые колёса, а также предусматривается двусторонний вход жидкости в насос. Кроме того, могут устанавливаться бустерные (т.е. вспомогательные) струйные и низкооборотные лопаточные насосы, создающие напор, необходимый для работы основных насосов.

В некоторых случаях явление кавитации используется для управления работой ЖРД. В магистралях таких ЖРД устанавливаются сопла Вентури или жиклёры, в которых происходит кавитация жидкости за счёт сильного местного уменьшения проходного сечения. Типичная кавитационная характеристика насоса ЖРДПри достижении образовавшейся парожидкостной смесью скорости звука расход через магистраль становится прямо пропорциональным входному давлению и не зависит от колебаний выходного. Наличие кавитирующих сопел в магистралях питания газогенераторов ЖРД LR-87-AJ-5, LR-91-AJ-5 и HM-7 обеспечивает поддержание с удовлетворительной точностью заданных значений расходов топливных компонентов через газогенератор и, следовательно, неизменность режима работы ЖРД. Установка в магистрали питания камеры ЖРД LMDE кавитирующих сопел с регулируемым проходным сечением упростила задачу регулирования ЖРД в широком диапазоне тяги при сохранении неизменного соотношения топливных компонентов. Кавитирующие элементы могут использоваться также для замедления поступления топливных компонентов в камеру и газогенератор с целью обеспечения надлежащего запуска ЖРД. В этом случае элемент кавитирует в процессе заполнения магистрали жидкостью, при малом противодавлении; впоследствии кавитация прекращается, и элемент работает как низкоперепадное гидравлическое сопротивление.

Источник: Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В. П. Глушко…




Оставьте свой комментарий

Вы должны быть авторизованы чтобы оставлять комментарии.

Рейтинг@Mail.ru