Одной из ключевых проблем при создании мощных ЖРД явилась высокая виброактивность турбонасосных агрегатов (ТНА), приводящая к разрушениям и разгарам элементов их конструкции. Решение этой проблемы потребовало от ОКБ и НИИ проведения большого объема научно-исследовательских работ, включавших создание специальных экспериментальных установок и разработку новых методов доводки ТНА.
В настоящей статье приведены результаты исследования вибрационно-пульсационных процессов в высоконапряженных ТНА на установившихся и переходных режимах, в том числе при воздействии вынужденных колебательных перегрузок, имитирующих механические перегрузки при работе двигателя в составе ракеты.

Центробежные насосы, как и другие лопаточные машины, из-за конечного числа лопаток и отрывных течений порождают интенсивные пульсации давления в собственных трактах и в подключенных к ним гидромагистралях. Степень интенсивности пульсации зависит от геометрических параметров насосов, уровня давлений, степени отклонения режима от расчетного, кратности чисел лопаток ротора и статора и от других факторов. К особому виду низкочастотных пульсаций давления, порождаемых насосами, относятся кавитационные и помпажные автоколебания, обусловленные сжимаемостью рабочего тела. Опыт показывает, что повышенные пульсации давления в системах подачи топлива ЖРД неблагоприятно влияют на: устойчивость рабочего процесса в огневых агрегатах; точность работы систем регулирования и др.
Поэтому при проектировании двигателей и их систем желательно знать закономерности возникновения и распространения пульсации в топливных трактах и иметь информацию об их интенсивности и спектральном составе.
Исследовались высоконапорные шнекоцентробежные насосы в составе ТНА. Насосы выполнены с двухзаходными шнеками и крыльчатками закрытого типа при относительных диаметрах входа 0,45…0,8.
Насосы были оборудованы малоинерционными датчиками. Для киносъемки потока на выходе из колеса в корпусе спирального отвода насосов были установлены прозрачные профилированные вставки. Для записи давлений использовались датчики, рассчитанные на частотный диапазон до 6000 Гц.
Пульсационное состояние потока в насосах исследовано на различных участках напорных характеристик насосов в широком диапазоне значений давлений на входе. Испытания проводились на воде при различных сопротивлениях сети. Исследования показали, что параметры пульсаций давлений на входе и выходе насосов сильно зависят от режимов их работы. На большинстве режимов, исключая кавитационные и срывные, зависимость амплитуд пульсаций от частоты вращения ротора насоса примерно квадратичная, а зависимость частоты пульсаций от того же параметра примерно линейная.
Вследствие такой закономерности интенсивность пульсаций на выходе насосов существенно возрастает с ростом напорности и частоты вращения. Однако, поскольку абсолютный уровень давления за насосами также является примерно пропорциональным квадрату частоты вращения, то относительные значения амплитуд пульсаций в напорных магистралях оказываются для различных режимов работы по частоте вращения приблизительно одинаковыми.
В проведенной серии опытов на рассматриваемых бескавитационных режимах основные частоты пульсаций были кратны числу лопаток шнека и колеса и лежали в диапазоне 160…1680 Гц.
Характерно, что основная роторная частота в спектре пульсаций заметно не проявляется.
На срывных режимах с очень малыми и очень большими расходами рассмотренные выше закономерности для амплитуд пульсаций давления на входе и выходе насоса нарушаются: их величины резко возрастают при неизменной частоте вращения ротора насоса.
Пульсации, создаваемые лопатками рабочего колеса, передаются на вход в широком диапазоне режимов работы насоса как при интенсивных обратных токах, возникающих на глубоком дроссельном режиме, так и при больших значениях расхода.
На режиме развитого срыва напора насоса, соответствующего срывной ветви характеристики, в диффузоре спирального отвода возникает отрыв потока в критическом сечении.
Исследование пульсации давления в трубке Вентури (модели диффузора) показало, что при уровне давлений, исключающем наличие развитой кавитации, амплитуды пульсации давления на выходе увеличиваются пропорционально квадрату скорости течения, а частоты срыва каверн примерно соответствуют частотам пульсаций давления.
Исследования пульсаций давления, возникающих при обтекании круглого цилиндра потоком воды в прямолинейном канале, показали, что регистрируемые частоты пульсаций давления также близки к частотам срыва вихрей, определяемым по кадрам скоростной киносъемки.
На кавитационных режимах насоса, вызываемых снижением давления на входе в насос, регистрируются низкочастотные (3...5 Гц) колебания давлений, которые с понижением давления уменьшают свою частоту и переходят в интенсивные пульсации давления с резкими пиками, существенно повышающими амплитуду колебаний на бескавитационных режимах.
Интенсивные пульсации давления в трактах насосов вызывают сильные вибрации их конструкции. Уровень виброперегрузок, регистрируемых на корпусе насосов на нерасчетных режимах, примерно в 3...4 раза выше, чем на расчетном режиме с минимальными пульсациями давления.
Впервые с позиций ограничения уровня вибраций элементов конструкции двигателя и снижения амплитуд пульсаций давления в системе подачи топлива было проведено детальное исследование вибрационно-пульсационных процессов, свойственных ЖРД. Экспериментальным путем были определены зависимости амплитуд и частот этих процессов от параметров режима работы ТНА и характеристик системы топливоподачи двигателей.
Полученные закономерности, наряду с напорными и кавитационными характеристиками насосов, используются при проектировании и доводке двигателей для прогнозирования пульсационно-вибрационного состояния гидравлических трактов ЖРД.

( Продолжение в следующем номере).