Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости
В статье рассматриваются совместные продольные колебания конструкции питающего трубопровода жидкостных ракетных двигателей и жидкости с учетом нелинейностей упругой характеристики сильфона. В качестве нелинейностей упругой характеристики сильфона рассмотрено ограничение хода сильфона при сжатии за с...
Saved in:
| Published in: | Техническая механика |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2015
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100770 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости / С.И. Долгополов // Техническая механика. — 2015. — № 3. — С. 30-38. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859464446866358272 |
|---|---|
| author | Долгополов, С.И. |
| author_facet | Долгополов, С.И. |
| citation_txt | Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости / С.И. Долгополов // Техническая механика. — 2015. — № 3. — С. 30-38. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая механика |
| description | В статье рассматриваются совместные продольные колебания конструкции питающего трубопровода жидкостных ракетных двигателей и жидкости с учетом нелинейностей упругой характеристики сильфона. В качестве нелинейностей упругой характеристики сильфона рассмотрено ограничение хода сильфона при сжатии за счет смыкания соседних гофр и при растяжении за счет установки стяжек. Целью данной работы является исследование влияния указанных нелинейностей упругой характеристики сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости. Показано, что проявление нелинейностей упругой характеристики сильфона зависит от размаха колебаний перемещений конструкции трубопровода. Как только перемещение конструкции трубопровода достигает критического значения (при котором происходит резкое возрастание упругой характеристики сильфона), в колебательном контуре конструкции трубопровода происходит смещение среднего положения сильфона и устанавливаются продольные колебания с существенно меньшим размахом. Установлено, что при различных средних давлениях на входе в насос это приводит к тому, что размахи колебаний параметров принимают значения либо такие, как при отсутствии нелинейности упругой характеристики сильфона, либо близкие к таким, как при отсутствии взаимодействия конструкции трубопровода и жидкости.
У статті розглядаються спільні поздовжні коливання конструкції живильного трубопроводу рідинних ракетних двигунів і рідини з урахуванням нелінійностей пружної характеристики сильфона. У якості нелінійностей пружної характеристики сильфона розглянуто обмеження ходу сильфона при стисненні за рахунок змикання сусідніх гофр і при розтяганні за рахунок установлення стяжок. Метою даної роботи є дослідження впливу зазначених нелінійностей пружної характеристики сильфона на параметри кавітаційних автоколивань при спільних поздовжніх коливаннях конструкції трубопроводу й рідини. Показано, що прояв нелінійностей пружної характеристики сильфона залежить від розмаху коливань переміщень конструкції трубопроводу. Як тільки переміщення конструкції трубопроводу досягає критичного значення (при якому відбувається різке зростання пружної характеристики сильфона), у коливальному контурі конструкції трубопроводу відбувається зсув середнього положення сильфона й установлюються поздовжні коливання із суттєво меншим розмахом. Встановлено, що при різних середніх тисках на вході в насос це приводить до того, що розмахи коливань параметрів приймають значення або такі, як при відсутності нелінійності пружної характеристики сильфона, або близькі до таких, як при відсутності взаємодії конструкції трубопроводу й рідини.
The paper examines the combined longitudinal oscillation of the feed line structure of liquid rocket engines and the fluid considering nonlinearities of an elastic characteristic of the bellows. The limitations of the compression stroke at the expense of coupling near corrugations and the extension stroke at the expense of tightening devices are considered as nonlinearities of the elastic bellows characteristic. The aim of the research is to study the effects of the above nonlinearities of the elastic characteristic of the bellows on parameters of the cavitation self-oscillation under the combined longitudinal oscillation of the line structure and the fluid. It is shown that a manifestation of nonlinearities of the elastic bellows characteristic depends on a double amplitude of displacements of the line structure. As soon as the line structure displacement reaches its peak (when an elastic characteristic of the bellows rises steeply), the mid-position of the bellows displaces in the oscillating circuit of the line structure and the longitudinal oscillation is provided essentially with a more limited double amplitude. It is found that various average pump-inlet pressures result in the double amplitude of parametric values which demonstrate either the absence of the nonlinearity of the elastic characteristic of the bellows or they are close to values in the absence of interactions between the line structure and the fluid.
|
| first_indexed | 2025-11-24T04:03:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
30
УДК 621.671:532.528
С.И. ДОЛГОПОЛОВ
ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛЬФОНА
НА ПАРАМЕТРЫ КАВИТАЦИОННЫХ АВТОКОЛЕБАНИЙ ПРИ
СОВМЕСТНЫХ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЯХ КОНСТРУКЦИИ
ТРУБОПРОВОДА И ЖИДКОСТИ
В статье рассматриваются совместные продольные колебания конструкции питающего трубопрово-
да жидкостных ракетных двигателей и жидкости с учетом нелинейностей упругой характеристики силь-
фона. В качестве нелинейностей упругой характеристики сильфона рассмотрено ограничение хода силь-
фона при сжатии за счет смыкания соседних гофр и при растяжении за счет установки стяжек. Целью
данной работы является исследование влияния указанных нелинейностей упругой характеристики силь-
фона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции
трубопровода и жидкости. Показано, что проявление нелинейностей упругой характеристики сильфона
зависит от размаха колебаний перемещений конструкции трубопровода. Как только перемещение кон-
струкции трубопровода достигает критического значения (при котором происходит резкое возрастание
упругой характеристики сильфона), в колебательном контуре конструкции трубопровода происходит
смещение среднего положения сильфона и устанавливаются продольные колебания с существенно мень-
шим размахом. Установлено, что при различных средних давлениях на входе в насос это приводит к тому,
что размахи колебаний параметров принимают значения либо такие, как при отсутствии нелинейности
упругой характеристики сильфона, либо близкие к таким, как при отсутствии взаимодействия конструк-
ции трубопровода и жидкости.
У статті розглядаються спільні поздовжні коливання конструкції живильного трубопроводу рідин-
них ракетних двигунів і рідини з урахуванням нелінійностей пружної характеристики сильфона. У якості
нелінійностей пружної характеристики сильфона розглянуто обмеження ходу сильфона при стисненні за
рахунок змикання сусідніх гофр і при розтяганні за рахунок установлення стяжок. Метою даної роботи є
дослідження впливу зазначених нелінійностей пружної характеристики сильфона на параметри кавітацій-
них автоколивань при спільних поздовжніх коливаннях конструкції трубопроводу й рідини. Показано, що
прояв нелінійностей пружної характеристики сильфона залежить від розмаху коливань переміщень конс-
трукції трубопроводу. Як тільки переміщення конструкції трубопроводу досягає критичного значення
(при якому відбувається різке зростання пружної характеристики сильфона), у коливальному контурі
конструкції трубопроводу відбувається зсув середнього положення сильфона й установлюються поздовж-
ні коливання із суттєво меншим розмахом. Встановлено, що при різних середніх тисках на вході в насос
це приводить до того, що розмахи коливань параметрів приймають значення або такі, як при відсутності
нелінійності пружної характеристики сильфона, або близькі до таких, як при відсутності взаємодії конс-
трукції трубопроводу й рідини.
The paper examines the combined longitudinal oscillation of the feed line structure of liquid rocket engines
and the fluid considering nonlinearities of an elastic characteristic of the bellows. The limitations of the compres-
sion stroke at the expense of coupling near corrugations and the extension stroke at the expense of tightening
devices are considered as nonlinearities of the elastic bellows characteristic. The aim of the research is to study
the effects of the above nonlinearities of the elastic characteristic of the bellows on parameters of the cavitation
self-oscillation under the combined longitudinal oscillation of the line structure and the fluid. It is shown that a
manifestation of nonlinearities of the elastic bellows characteristic depends on a double amplitude of displace-
ments of the line structure. As soon as the line structure displacement reaches its peak (when an elastic character-
istic of the bellows rises steeply), the mid-position of the bellows displaces in the oscillating circuit of the line
structure and the longitudinal oscillation is provided essentially with a more limited double amplitude. It is found
that various average pump-inlet pressures result in the double amplitude of parametric values which demonstrate
either the absence of the nonlinearity of the elastic characteristic of the bellows or they are close to values in the
absence of interactions between the line structure and the fluid.
Ключевые слова: жидкостные ракетные двигатели, кавитирующие
насосы, кавитационные колебания, совместные продольные колебания жид-
кости и конструкции трубопровода, нелинейности сильфона.
Введение. Из теории кавитационных колебаний в линиях питания жид-
костных ракетных двигателей (ЖРД) известно [1, 2], что определяющей не-
линейностью при кавитационных колебаниях является зависимость объема
кавитационных каверн KV от давления 1p и расхода 1G на входе в насос.
С. И. Долгополов, 2015
Техн. механика. – 2015. – № 3.
31
Эта нелинейность приводит к существенному ограничению амплитуд кави-
тационных автоколебаний. Заметное влияние на амплитуды кавитационных
колебаний оказывает также зависимость постоянной времени кавитационных
каверн KT от давления 1p и расхода 1G на входе в насос. Другие нелинейно-
сти, присутствующие в модели кавитационных колебаний (квадратичные за-
висимости гидравлического сопротивления от расхода в питающем и напор-
ном трубопроводах, напорная характеристика насоса), как правило, не ока-
зывают существенного влияния на ограничения амплитуд кавитационных
колебаний.
В математической модели совместных продольных колебаний конструк-
ции трубопровода (с сильфоном) и жидкости [3] согласно принятым допуще-
ниям и предположениям в колебательном контуре конструкции трубопровода
нелинейности отсутствуют. (Здесь и далее по аналогии с электрическими це-
пями будем использовать понятия колебательных контуров жидкости и кон-
струкции трубопровода, представляющие собой осцилляторы, содержащие
массы и податливости соответственно жидкости и конструкции трубопрово-
да). В действительности упругая характеристика сильфона Zk (зависимость
нагрузки от хода сильфона) в большей или меньшей степени нелинейна [4].
Это связано с изменением геометрии сильфона в процессе нагружения (так
называемая «геометрическая нелинейность»). Указанная нелинейность про-
является в наибольшей степени, когда сильфон совершает свободный ход. С
увеличением перемещения нелинейность упругой характеристики возрастает
и, как показывает эксперимент и расчет, может достигать в некоторых случа-
ях 20 – 30 % [4].
Представляют интерес некоторые случаи использования сильфонов,
устанавливаемых в питающем трубопроводе ЖРД при динамических испы-
таниях двигателя, кавитационных колебаниях, полете ракеты, когда проявля-
ется нелинейность упругой характеристики сильфона. Рассмотрим два таких
случая. Первый случай – это установка стяжек на сильфон после монтажа
питающего трубопровода. Стяжки на сильфон устанавливались при автоном-
ных динамических испытаниях в режиме кавитационных автоколебаний
насосов большой размерности и производительности [5, 6]. Здесь целью
установки стяжек было устранение влияния конструкции трубопровода на
параметры кавитационных колебаний. Стяжки ограничивают продольное
растяжение сильфона, однако не препятствуют его сжатию. Опыт использо-
вания стяжек в этих экспериментальных исследованиях показал, что они не
позволяют в полной мере устранить влияние конструкции трубопровода на
параметры кавитационных колебаний. Кроме того, под действием попереч-
ных сил (питающие трубопроводы имели пространственную конфигурацию)
стяжки быстро разрушались. Второй случай – это ограничение хода сильфо-
на при сжатии за счет смыкания соседних гофр. В этом случае сильфон мо-
жет удлиняться пропорционально продольной силе, но при сжатии его пере-
мещения резко уменьшаются.
Целью данной работы является исследование влияния нелинейностей
упругой характеристики сильфона, обусловленных смыканием соседних
гофр и установкой стяжек, на параметры кавитационных автоколебаний при
совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода (с сильфо-
ном) и жидкости.
32
1. Математическая модель. Расчетная схема исследуемой гидравличе-
ской системы представлена на рис. 1, где введены следующие обозначения: 1
– шнекоцентробежный насос; 2 – дроссель; 3 – сильфон; 4 – ресивер; 5 – пи-
тающий бак.
Рис. 1
Нелинейная математическая модель совместных продольных колебаний
конструкции трубопровода и жидкости без учета нелинейностей упругой ха-
рактеристики сильфона разработана в статье [3]. Эту математическую модель
можно условно разбить на два блока уравнений. Первый блок уравнений
описывает самовозбуждающиеся кавитационные колебания жидкости в ли-
нии питания ЖРД [1, 2], второй – продольные колебания конструкции трубо-
провода, включающего сильфон.
Математическое описание низкочастотной динамики шнекоцентробеж-
ного насоса будем производить по гидродинамической модели кавитирую-
щих насосов [1, 2] с коэффициентами, полученными экспериментально-
расчетными способами [7]. Эта модель включает уравнение движения не-
сжимаемой жидкости в питающем трубопроводе, уравнение динамики кави-
тационных каверн, уравнение баланса расходов в проточной части насоса,
уравнение для определения давления на выходе из насоса и уравнение дви-
жения жидкости в напорном трубопроводе. Математическая модель динами-
ки конструкции трубопровода в продольном направлении, построенная при
условии жесткого крепления трубопровода с питающим баком и свободного
конца на входе в насос, включает уравнения движения и неразрывности кон-
струкции трубопровода. В соответствии с [3] нелинейная математическая
модель совместных продольных колебаний жидкости и конструкции трубо-
провода имеет вид
33
,
,0
,0
,
,~
,0
,
2
1
2
2
11
2
12
22
1
2
2
2
222
212
22
2
2
1
121
11
1
122
1
2
111
Z
Z
ZZ
Z
M
M
Z
ZZZ
Z
M
K
KHH
ZZЖKK
Ж
ОТZZ
ЖЖ
Б
u
dt
du
FF
dt
ud
m
dt
dp
d
dt
ud
uu
dt
dF
C
dt
dG
JGapp
VpGppp
uud
dt
dG
R
dt
dG
RGG
B
dt
dp
dt
dG
JJuu
G
A
Gapp
(1)
где ЖЖM ARR 11 ,
Ж
K
K
TB
BR
1
21 ,
Ж
K
K
TB
R
1
2 ,
Z
M
k
С
1
, ЖЖ ABd 1 ,
эфMM ACd ; t – время; 2p , 2G – давление и весовой расход жидкости на
выходе из насоса; 1ZF , 2Zu – продольная сила и скорость перемещения тру-
бопровода; Ж – удельный вес жидкости; ЖА – площадь поперечного сече-
ния трубопровода; Z – коэффициент демпфирования конструкции трубо-
провода; 1J , 2J – коэффициенты инерционного сопротивления питающего и
напорного трубопровода; ОТJ – коэффициент инерционного сопротивления,
обусловленный наличием обратных течений на входе в насос; 1B , 2B –
упругость и сопротивление кавитационных каверн; Бp – давление в питаю-
щем баке; 1a , 2a – коэффициенты гидравлического сопротивления питаю-
щего и напорного трубопровода; 2GpН – напорная характеристика насоса
на бескавитационном режиме; KН Vp~ – кавитационная функция насоса; Kp
– давление на выходе напорного трубопровода; MС – податливость кон-
струкции трубопровода; Mm – масса трубопровода; эфA – эффективная
площадь сильфона; 2Zu – перемещение конструкции питающего трубопро-
вода; черта над параметром означает его установившееся значение.
Для решения системы уравнений (1), так же как и в работе [3], были за-
даны следующие начальные условия: 11 0 pp , 11 0 GG , 22 0 GG ,
001 ZZZ ukF , 22 0 ZZ uu и 22 0 ZZ uu .
2. Нелинейные характеристики сильфона. При математическом опи-
сании нелинейностей упругой характеристики сильфона, обусловленных
ограничением хода сильфона при сжатии за счет смыкания соседних гофр и
при растяжении за счет установки стяжек, предполагалось, что упругие ха-
рактеристики сильфона Zk существенно и непрерывно увеличивались при
небольшом ходе сильфона. На рисунке 2 представлены используемые далее
нелинейности упругой характеристики сильфона при сжатии за счет смыка-
ния соседних гофр. Здесь для определенности упругие характеристики силь-
34
фона Zk задавались функцией, которая характеризуется увеличением Zk в
десять раз при ходе сильфона 0,1 см
5
9102,1 o
ZZZ uuk , (2)
где o
Zu – ход сильфона, при котором «включается» нелинейность (кривая 1
на рис. 2 – при o
Zu = 0; 2 – при o
Zu = 0,2 см; 3 – при o
Zu = 0,4 см).
Для нелинейностей упру-
гой характеристики сильфо-
на, обусловленных ограниче-
нием хода сильфона при рас-
тяжении за счет установки
стяжек, была использована та
же аналитическая функция
(2). На рисунке 3 представ-
лены полученные при ис-
пользовании этой функции
нелинейности упругой харак-
теристики сильфона (кривая
1 на рис. 2 – при o
Zu = 0; кри-
вая 2 – при o
Zu = -0,2 см; кри-
вая 3 – при o
Zu = -0,4 см).
3. Результаты опреде-
ления параметров кавита-
ционных автоколебаний.
Используя нелинейную ма-
тематическую модель сов-
местных продольных коле-
баний конструкции трубо-
провода и жидкости (1) и не-
линейности упругой характе-
ристики сильфона (2), были
проведены исследования
влияния этих нелинейностей на параметры кавитационных автоколебаний
при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жид-
кости применительно к насосу окислителя рулевого двигателя 15Д167 (РД-
863) I ступени ракет 15А15 и 15А16 (SS-17) разработки ГП “КБ “Южное”
им. М. К. Янгеля” и условиям его автономных динамических испытаний [8].
На рис. 4 представлены расчетные временные зависимости переменных
математической модели и по колебательному контуру жидкости, и по коле-
бательному контуру конструкции трубопровода при давлении на входе в
насос 1р =1,5 кгс/см2 в начальный момент развития кавитационных автоколе-
баниях. Цифрой 1 на этих рисунках обозначены временные зависимости па-
раметров без учета нелинейности упругой характеристики сильфона, цифрой
2 – при установке стяжек на сильфон ( o
Zu = 0), цифрой 3 – при смыкании со-
седних гофр сильфона ( o
Zu = 0).
0
5000
10000
15000
-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4
k Z , кгс/см
u Z , см
1 32
Рис. 2
0
5000
10000
15000
-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0
k Z , кгс/см
u Z , см
1
3
2
Рис. 3
35
Как видно на рисунках 4, переходный процесс от начальных до устано-
вившихся значений параметров в колебательном контуре конструкции тру-
бопровода может сопровож-
даться продольным ударом
(быстроменяющейся силой),
обусловленным значительным
ростом величины упругой ха-
рактеристики сильфона Zk .
Величина продольного удара
в случае установки стяжек на
сильфон составляет 600 кгс, а
в случае смыкания соседних
гофр сильфона – 310 кгс. По-
сле удара происходит смеще-
ние среднего положения
сильфона и в колебательном
контуре конструкции трубо-
провода устанавливаются про-
дольные колебания с суще-
ственно меньшим размахом.
На рис. 5 представлены
зависимости огибающих раз-
махов кавитационных автоко-
лебаний параметров от давле-
ния на входе в исследуемый
насос при отсутствии взаимо-
действия между продольными
колебаниями конструкции тру-
бопровода и жидкости (кри-
вые, обозначенные цифрой 1),
с учетом этого взаимодей-
ствия (цифра 2) и с учетом
этого взаимодействия в слу-
чае смыкания соседних гофр
сильфона (3 – при o
Zu = 0; 4 –
при o
Zu = 0,2 см; 5 – при
o
Zu = 0,4 см). Не вызывает со-
мнений то, что проявление
рассматриваемых нелинейно-
стей упругой характеристики
сильфона зависит от размахов параметров при кавитационных автоколебаниях,
а в используемой математической модели – непосредственно от перемещения
конструкции питающего трубопровода или хода сильфона. Как только пере-
мещение конструкции трубопровода 2Zu достигает критического значения
(при котором происходит резкое возрастание Zk ), в колебательном контуре
0
1
2
3
4
0,0 0,1 0,2 0,3 t, с
р 1 , кгс/см
2
12, 3
а)
-1000
-500
0
500
1000
0,0 0,1 0,2 0,3 t, с
F Z1 , кгс
1
2
3
б)
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,0 0,1 0,2 0,3 t, с
u Z2 , см
1
2
3
в)
Рис. 4
36
конструкции трубопровода
происходит смещение сред-
него положения сильфона
2Zu и устанавливаются про-
дольные колебания с суще-
ственно меньшим размахом
(см. рис. 4 б и в). Как пока-
зывает математическое моде-
лирование кавитационных
колебаний при различных
давлениях на входе в насос,
это приводит к тому, что раз-
махи колебаний параметров
принимают значения либо
такие, как при отсутствии
нелинейности сильфона, либо
близкие к таким, как при от-
сутствии взаимодействия
конструкции трубопровода и
жидкости (см. рис. 5 б и в).
Анализ рисунков 5 пока-
зывает, что при o
Zu = 0 и
o
Zu = 0,2 см нелинейности
упругой характеристики
сильфона проявляются во
всем диапазоне существова-
ния кавитационных автоко-
лебаний, практически устра-
няя взаимодействие кон-
струкции трубопровода и
жидкости. При o
Zu = 0,4 см
нелинейности упругой харак-
теристики сильфона прояв-
ляются в интервалах давле-
ния на входе в насос от 0,6 до
0,85 кгс/см2, от 1,2 до
2,1 кгс/см2 и от 2,55 кгс/см2до конца существования кавитационных автоко-
лебаний.
Проявление нелинейности упругой характеристики сильфона в случае
установки стяжек на сильфон происходит аналогичным образом, а именно,
при достижении критического значения продольного перемещения кон-
струкции трубопровода 2Zu в колебательном контуре конструкции трубо-
провода происходит смещение среднего положения сильфона 2Zu и устанав-
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 р 1 , кгс/см
2
2D р 1 , кгс/см
2
1
2
5
а)
0
500
1000
1500
2000
0 1 2 3 р 1 , кгс/см
2
2D F Z1 , кгс
4
2
3
5
б)
0,0
0,5
1,0
1,5
0 1 2 3 р 1 , кгс/см
2
2D u Z2 , см
4
2
3
5
в)
Рис. 5
37
ливаются продольные колеба-
ния с существенно меньшим
размахом (см. рис. 3 б и в).
На рис. 6 представлены
зависимости огибающих раз-
махов кавитационных автоко-
лебаний параметров от давле-
ния на входе в исследуемый
насос при отсутствии взаимо-
действия между продольными
колебаниями конструкции тру-
бопровода и жидкости (кривые,
обозначенные цифрой 1), с
учетом этого взаимодействия
(цифра 2) и с учетом этого
взаимодействия в случае
установки стяжек на сильфон
(3 – при o
Zu = 0; 4 – при
o
Zu = - 0,2 см; 5 – при o
Zu =
-0,4 см). Только при o
Zu =0 не-
линейности упругой характе-
ристики сильфона проявляют-
ся во всем диапазоне суще-
ствования кавитационных ав-
токолебаний, существенно
уменьшая размахи кавитаци-
онных автоколебаний в коле-
бательном контуре конструк-
ции трубопровода за счет
устранения взаимодействия
конструкции трубопровода и
жидкости. При o
Zu = 0,2 см не-
линейности упругой характе-
ристики сильфона проявляют-
ся в интервале давления на
входе в насос от 1,15 до
1,7 кгс/см2, а при o
Zu = 0,4 см –
в интервале от 1,35 до 1,6 кгс/см2.
Следует отметить, что нелинейности упругой характеристики сильфона,
представленные на рис. 2 и 3, симметричны относительно вертикальной оси.
Однако, как следует из представленных на рис. 5 и 6 результатов расчетов,
проявление этих нелинейностей различно. Это связано с различием фаз коле-
баний между параметрами колебательного контура конструкции трубопрово-
да в момент «включения» нелинейности. Так, на рис. 4 б видно, что при сим-
метричности нелинейностей упругой характеристики сильфона величина
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 р 1 , кгс/см
2
2D р 1 , кгс/см
2
1
2
5
4
а)
0
500
1000
1500
2000
0 1 2 3 р 1 , кгс/см
2
2D F Z1 , кгс
5
2
3
4
б)
0,0
0,5
1,0
1,5
0 1 2 3 р 1 , кгс/см
2
2D u Z2 , см
5
2
3
4
в)
Рис. 6
38
продольного удара в случае установки стяжек на сильфон почти в 2 раза
больше, чем в случае смыкания соседних гофр сильфона.
Выводы. На базе разработанной ранее нелинейной математической мо-
дели совместных продольных колебаний конструкции трубопровода и жид-
кости, дополненной учетом нелинейностей упругой характеристики сильфо-
на, проведено исследование влияния этих нелинейностей на параметры кави-
тационных автоколебаний применительно к одному насосу ЖРД и условиям
его автономных динамических испытаний. В качестве нелинейностей упру-
гой характеристики сильфона рассмотрено ограничение хода сильфона при
сжатии за счет смыкания соседних гофр и при растяжении за счет установки
стяжек. Показано, что проявление нелинейностей упругой характеристики
сильфона зависит от размаха колебаний перемещений конструкции трубо-
провода 2Zu . Как только 2Zu достигает критического значения (при котором
происходит резкое возрастание упругой характеристики сильфона Zk ), в ко-
лебательном контуре конструкции трубопровода происходит смещение сред-
него положения сильфона 2Zu и устанавливаются продольные колебания с
существенно меньшим размахом. Установлено, что при различных средних
давлениях на входе в насос это приводит к тому, что размахи колебаний па-
раметров принимают значения либо такие, как при отсутствии нелинейности
упругой характеристики сильфона, либо близкие к таким, как при отсутствии
взаимодействия конструкции трубопровода и жидкости.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при
математическом моделировании динамических процессов в ЖРД с учетом
кавитационных колебаний и вибрации конструкции трубопроводов.
1. Пилипенко В. В. Кавитационные колебания и динамика гидросистем / В. В. Пилипенко, В. А. Задон-
цев, М. С. Натанзон. – М. : Машиностроение, 1977. – 352 с.
2. Пилипенко В. В. Кавитационные автоколебания / В. В. Пилипенко. – К. : Наук. думка, 1989. – 316 с.
3. Долгополов С. И. Определение параметров кавитационных автоколебаний в гидравлической системе
при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости / С. И. Долгополов //
Техническая механика. – 2014. – № 3. – С. 79 – 86.
4. Сильфоны. Расчет и проектирование / Л. Е. Андреева, А. И. Беседа, Ю. А. Богданова, Л. Н. Горячева,
Г. Е. Зверьков, В. В. Петровский. – М. : Машиностроение, 1975. – 156 с.
5. Автономные динамические испытания шнекоцентробежного насоса ЖРД большой размерности в ре-
жиме кавитационных автоколебаний / В. А. Задонцев, В. А. Дрозд, С. И. Долгополов, Т. А. Грабовская //
Авиационно-космическая техника и технология. – 2009. – № 9(66). – С. 100 – 106.
6. Автономные испытания насоса окислителя маршевого двигателя второй ступени ракеты-носителя “Зе-
нит” в режимах кавитационных автоколебаний / В. А. Задонцев, В. А. Дрозд, С. И. Долгополов,
Т. А. Грабовская // Авиационно-космическая техника и технология. – 2010. – № 10(77). – С. 89 – 93.
7. Пилипенко В. В. Экспериментально-расчетное определение коэффициентов уравнения динамики кави-
тационных каверн в шнекоцентробежных насосах различных типоразмеров / В. В. Пилипенко,
С. И. Долгополов // Техническая механика. – 1998. – Вып. 8. – С. 50 – 56.
8. Жулай Ю. А. Динамические испытания шнекоцентробежного насоса в режиме кавитационных автоко-
лебаний / Ю. А. Жулай // Вестник двигателестроения. – 2006. – № 3. – С. 141 – 145.
Институт технической механики Получено 22.06.2015,
Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 08.09.2015
Государственного космического агентства Украины,
Днепропетровск
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100770 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-9184 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T04:03:29Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| record_format | dspace |
| spelling | Долгополов, С.И. 2016-05-26T18:58:23Z 2016-05-26T18:58:23Z 2015 Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости / С.И. Долгополов // Техническая механика. — 2015. — № 3. — С. 30-38. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100770 621.671:532.528 В статье рассматриваются совместные продольные колебания конструкции питающего трубопровода жидкостных ракетных двигателей и жидкости с учетом нелинейностей упругой характеристики сильфона. В качестве нелинейностей упругой характеристики сильфона рассмотрено ограничение хода сильфона при сжатии за счет смыкания соседних гофр и при растяжении за счет установки стяжек. Целью данной работы является исследование влияния указанных нелинейностей упругой характеристики сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости. Показано, что проявление нелинейностей упругой характеристики сильфона зависит от размаха колебаний перемещений конструкции трубопровода. Как только перемещение конструкции трубопровода достигает критического значения (при котором происходит резкое возрастание упругой характеристики сильфона), в колебательном контуре конструкции трубопровода происходит смещение среднего положения сильфона и устанавливаются продольные колебания с существенно меньшим размахом. Установлено, что при различных средних давлениях на входе в насос это приводит к тому, что размахи колебаний параметров принимают значения либо такие, как при отсутствии нелинейности упругой характеристики сильфона, либо близкие к таким, как при отсутствии взаимодействия конструкции трубопровода и жидкости. У статті розглядаються спільні поздовжні коливання конструкції живильного трубопроводу рідинних ракетних двигунів і рідини з урахуванням нелінійностей пружної характеристики сильфона. У якості нелінійностей пружної характеристики сильфона розглянуто обмеження ходу сильфона при стисненні за рахунок змикання сусідніх гофр і при розтяганні за рахунок установлення стяжок. Метою даної роботи є дослідження впливу зазначених нелінійностей пружної характеристики сильфона на параметри кавітаційних автоколивань при спільних поздовжніх коливаннях конструкції трубопроводу й рідини. Показано, що прояв нелінійностей пружної характеристики сильфона залежить від розмаху коливань переміщень конструкції трубопроводу. Як тільки переміщення конструкції трубопроводу досягає критичного значення (при якому відбувається різке зростання пружної характеристики сильфона), у коливальному контурі конструкції трубопроводу відбувається зсув середнього положення сильфона й установлюються поздовжні коливання із суттєво меншим розмахом. Встановлено, що при різних середніх тисках на вході в насос це приводить до того, що розмахи коливань параметрів приймають значення або такі, як при відсутності нелінійності пружної характеристики сильфона, або близькі до таких, як при відсутності взаємодії конструкції трубопроводу й рідини. The paper examines the combined longitudinal oscillation of the feed line structure of liquid rocket engines and the fluid considering nonlinearities of an elastic characteristic of the bellows. The limitations of the compression stroke at the expense of coupling near corrugations and the extension stroke at the expense of tightening devices are considered as nonlinearities of the elastic bellows characteristic. The aim of the research is to study the effects of the above nonlinearities of the elastic characteristic of the bellows on parameters of the cavitation self-oscillation under the combined longitudinal oscillation of the line structure and the fluid. It is shown that a manifestation of nonlinearities of the elastic bellows characteristic depends on a double amplitude of displacements of the line structure. As soon as the line structure displacement reaches its peak (when an elastic characteristic of the bellows rises steeply), the mid-position of the bellows displaces in the oscillating circuit of the line structure and the longitudinal oscillation is provided essentially with a more limited double amplitude. It is found that various average pump-inlet pressures result in the double amplitude of parametric values which demonstrate either the absence of the nonlinearity of the elastic characteristic of the bellows or they are close to values in the absence of interactions between the line structure and the fluid. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости Долгополов, С.И. |
| title | Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости |
| title_full | Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости |
| title_fullStr | Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости |
| title_full_unstemmed | Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости |
| title_short | Влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости |
| title_sort | влияние нелинейных характеристик сильфона на параметры кавитационных автоколебаний при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода и жидкости |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100770 |
| work_keys_str_mv | AT dolgopolovsi vliânienelineinyhharakteristiksilʹfonanaparametrykavitacionnyhavtokolebaniiprisovmestnyhprodolʹnyhkolebaniâhkonstrukciitruboprovodaižidkosti |