Аналитический обзор методик расчёта турбонасоса жидкого водорода авиационного назначения

Ключевые слова: ЖИДКИЙ ВОДОРОД, ТУРБОНАСОС, ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНОЕ КОЛЕСО

Аннотация

Во всех промышленно развитых странах интенсивно ведутся научно-исследовательские работы по изысканию более эффективных и «чистых» источников энергии в сравнении с применяемыми стандартными углеводородными топливами. Анализ современного уровня и ближайших перспектив развития авиационной техники позволяет считать, что высокие значения удельной тяги двигателей летательных аппаратов могут быть достигнуты и уже частично достигаются путём применения криогенных компонентов топлива, в первую очередь – жидкого водорода.
Для внедрения двигателей, работающих на жидком водороде, необходимо провести несколько нестандартных теоретических и экспериментальных исследований в различных направлениях, в том числе в топливной системе. Одним из основных сложных для проектирования элементов системы топливоподачи двигателя является турбонасосный агрегат (ТНА). В настоящий момент существует ряд методик, позволяющих рассчитать и спроектировать ТНА для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), однако использовать напрямую данные алгоритмы для проектирования ТНА авиационного применения не представляется возможным в связи с рядом причин:
1.    расход топлива в ракетных двигателях в разы выше, чем расход топлива в авиационных двигателях;
2.    характеристика авиационного ТНА будет иметь более широкий рабочий диапазон в связи с вариативностью возможных рабочих режимов авиационного двигателя (руление, малый газ, форсирование и т.п.);
3.    частоты вращения авиационного ТНА выше, чем у ТНА ЖРД;
4.    ресурс или MTTF авиационного агрегата должен быть большим (более 3000 тысячи моточасов), относительно ресурса ракетного агрегата (до часа).
В связи с вышесказанным, расчёт и проектирование проточной части ТНА жидкого водорода авиационного назначения является перспективной и актуальной проблемой в отрасли. Применение компьютерных технологий и САЕ программ при создании ТНА и его элементов позволяет не только автоматизировать процесс разработки, но и улучшить качество конструируемых изделий, ускорить процессы изготовления через внедрения САМ решений, что позволит сократить сроки создания и снизить затраты на весь жизненный цикл изделия (PDLM). На текущий момент в рамках исследовательской работы проведен системный анализ существующих моделей проточной части ТНА, актуализация параметров и режимов течения рабочей среды – жидкого водорода, с жесткими ограничениями безкавитационой области и напорной характеристики, исключающей помпаж авиационного двигателя. Определена расчетная область в проточной части ТНА и выполнены предварительные CFD расчёты в программном комплексе ANSYS CFX.

Keywords: LIQUID HYDROGEN, TURBOPUMP, SCREW CENTRIFUGAL PUMP IMPELLER

Abstract