Констр_ТНА лаб раб N5 (Лабораторные работы)

Лабораторная работа №4

Цель работы - изучение конструкции ЖРД и его отдельных узлов.

Компоновочные схемы ТНА

Принятая схема компоновки ТНА, т.е. взаимное расположение и тип основных агрегатов / его насосов, турбины, уплотнений и т. д. / в значительной мере определяют конструкцию и характеристики ТНА.

По компоновочной схеме ТНА можно разделить следующим об­разом:

1.Одновальные - безредукторная схема,

2. Редукторные - много вальные,

3. С раздельными валами.

Наиболее распространенными являются одновальные ТНА и хо­тя редукторные обеспечивают наиболее оптимальные условия работы основных агрегатов / турбины и насосов /, их применение в конструкциях в настоящее время не нашло распространения.

Безредукторные / одновальные / ТНА наиболее просты, удоб­ны в компоновке, имеют меньший вес и большую надежность по сравнению с редукторными. Одновальные ТНА могут иметь различные компоновочные схемы с точки зрения расположения турбин и насо­сов и опор.

По количеству опор одновальные ТНА бывают двух опорными или четырех опорными, реже - трех опорными. Двух опорные роторы приме­няются при относительно жестких валах, когда массы рабочего ко­леса турбины и насосов относительно невелики, а следовательно, малы и прогибы вала. Двух опорные роторы отличаются расположе­нием турбины и подводящих устройств насосов. При двух насосах турбина может быть расположена между ними или консольно.

Схема ТНА с турбиной между насосами.

В этом случае может быть два варианта - когда компоненты под­водятся к насосам снаружи , т.е. применены или прямолинейные конфузоры или коленообразные подводящие устройства и когда под­вод компонентов осуществляется внутри ТНА через концевой или полуспиральный патрубок.

На рис. 1 и 2 показаны эти варианты.

При подводе компонентов снаружи длина вала сокращается, подводящее устройство обеспечивает наименьшие потери, а также более удобные расположение преднасосных ступеней.

При более длинных валах, когда на них приходится размещать много агрегатов - насосы, подшипники, уплотнения, шнеки, - а особенно при составных валах, необходимо иметь 3 - 4 опоры / рис З/

Составной вал обеспечивает ликвидацию несоосности валов на­сосов при больших числах оборотов, а так же при температурных де­формациях. Передача момента может осуществляться через муфту или карданное устройство

Выбор расположения подводящих устройств, их конструкция связаны с расположением ТНА в двигательной установке, т.е. при составлении компоновочной схемы необходимо исходить из условий удобного расположения ЖГГ, агрегатов наддува , получения более коротких трубопроводов и т.д.

При расположении турбины между насосами уплотнения, которые стоят между турбиной и насосами, должны предохранять компоненты от попадания газов из турбины. Насосы между собой разделены тур­биной, так что утечки из насоса могут попасть только в корпус турбины. Незначительное просачивание компонентов не поведет к тяжёлым последствиям. А разделение насосов - это положительный фактор, особенно для самовоспламеняющихся компонентов.

Подшипники должны быть центрированы друг относительно друга. Если они расположены в разных корпусах, то корпуса должны быть достаточно жесткими / это обе крышки турбины /. Они должны быть массивными, следовательно, они имеют большой вес.

Такая схема компоновки ТНА наиболее часто применяется в двигателях малой тяги.

Недостатком этой схемы является то , что в таком ТНA боль­шее количество узлов работает при повышенной температуре.

Схема ТНА с консольно расположенной турбиной .

ТНА о консольно расположенной турбиной показаны на рис. 4,5. При такой компоновке облегчается подвод и особенно отвод горя­чих газов от ТНА. Особенно целесообразна такая схема, когда один из насосов имеет двусторонний вход. Если оба насоса имеют односторонний вход, они могут располагаться либо входами внутрь, как на рис. 4, либо насос, расположенный на конце вала, выполняется с осевым входом / рис. 5 /. В первом случае легче уравновесить осевые силы, действующие на ротор, а во втором - удобно применить насос с предварительной .ступенью на входе.

Схема о консольной турбиной применяется преимущественно для ТНА двигательных установок больших тяг. Также наиболее час­то такая схема применяется в двигательных установках, работаю­щих с дожиганием генераторного газа в камере сгорания, нa рис. 6 представлены схемы ТНА для таких двигательных установок. На рис. 6 а и б показаны ТНА с пусковой турбиной и без нее, а на рис. 6в - ТНА с радиально-осевой турбиной, для которой облегчаются условия отвода газов от турбины, в частности, для дожигания в камеру сгорания. В этом ТНА применены три опоры вращающегося вала.

Часто с консольной турбиной выполняют ТНА двигателей малых тяг, предназначенных для работы в космосе. В этом случае решаю­щим является вес двигательной установки, в том числе и ТНА. А для ТНА с консольно расположенной турбиной достаточно жесткой, а следовательно, массивной должна быть только одна половина корпуса турбины. Вторая половина корпуса легче, чем для ТНА с турбиной, расположенной между насосами.

Кроме того преимуществом такой компоновки является то, что при повышенной температуре работает меньшее число узлов.

Недостатком такой компоновки ТНА является необходимость надежного уплотнения между насосами, т. к. перетекание компонентов между ними недопустимо. При этом между насосами ставится мощ­ный узел уплотнении, этот узел наиболее ответственный. Он весьма громоздок. Может быть поставлено: несколько рядов манжетных уплотнений и импеллер, можно использовать манжеты с нагрузкой боль­шим давлением со стороны жидкости. Эти манжеты выходят из строя последовательно / см. рис 7 /. Иногда подается в полость между манжетами нейтральный газ, который запирает проход компонентов

/ рис. 8 /. Такое уплотнение часто применяют в кислородно-водородных насосах.

Может быть применен ряд сегментных уплотнений или медно-графитовых уплотнительных колец.

Иногда предусматривается сброс компонентов в корпус турбины с помощью разделительной трубы, которая выходит в корпус тур­бины. Компоненты в этом случае могут соединиться только в корпусе турбины, а это не опасно. / см. рис. 9. /

Ввиду того, что вал такого ТНА получается длинным, он может быть выполнен из двух. частей, соединенных рессорой. При этом вал ТНА будет иметь четыре опоры - по две для каждого вала.

Редукторная схема ТНА.

Все агрегаты таких ТНА - насосы и турбина - имеют оптималь­ное число оборотов, а следовательно, работают в оптимальном режиме и имеют наибольший к.п.д. Это особенно важно в тех случаях, когда максимальное допустимые для бескавитационной работы насо­сов числа оборотов значительно отличаются для насосов горючего и окислителя и для турбины, например, отношение n=n_max/n_max0 для различных компонентов следующее:

1. О₂ и Т-1 n = 1,84

2. КNO₃ и Т-1 n = 2,53

3. О₂ и Н₂ n = 4,61

5. F₂ и Н₂ n = 5,95

Общими недостатками редукторных схем являются сложность конструкции , необходимость смазки редуктора, меньшая надежность, больший вес.

Выбор схемы - важный этап в проектировании двигательной установки. Практически, если числа оборотов отличаются на 20 – 30 % , лучше применять простую безредукторную, одновальную схему. Однако, применение редукторных ТНА не нашло широкого распространения.

ТНА с раздельными валами.

Двухроторные ТНА могут иметь несколько вариантов относитель­ного расположения насосов и опор. На рис. 10 представлен один из них. Такие ТНА имеют преимущества в простоте конструкции перед редукторными ТНА, но уступают всем типам ТНА в простоте регули­рования подачи топлива. Отсутствие жёсткой связи между роторами требует постановит двух регуляторов скорости вращения ТНА вместо единого регулирующего органа, задающего определенное число оборотов турбины одновальных и реакторных ТНА.

С раздельными валами выполняются также ТНА двигателя с дожиганием , если рабочее тело полностью газифицируется перед по­дачей в камеру сгорания. В этом случае каждый насос приводится своей турбиной / рис. 11 /, что позволяет обеспечить работу каж­дой турбины при более благоприятных условиях , т.е. обеспечивает более высокие значения к.п.д., что очень важно для уменьшения веса.

Выбор схемы проверяется газодинамическим расчетом турбины. К.П.Д . должен быть достаточно высоким, габариты и вес - минимальными, конструкция - простой.

Размещение ТНА в ДУ.

При размещении ТНА, помимо компактности с целью уменьшения габаритов и массы всей установки, необходимо по возможности обеспечить наиболее прямой путь топлива от баков к насосам /для уменьшения гидравлических потерь /, удобный подвод рабочего те­ла к турбине и отвод газов из нее. В ДУ с дожиганием желательно, чтобы газовод, соединяющий турбину с камерой сгорания, подводящий газы высокой температуры, был короче, а скорость газов в нем не была бы больше 150 - 200 м/сек. Кроме того, следует учитывать возникновение при работе ТНА крутящего момента, сообщаемого ракете, который может потребовать дополнительной компенсации. На рис. 12 схематично показаны некоторые варианты размещения ТНА.

Конструкция Узлов ТНА.

Конструкция центробежных насосов.

Основными элементами центробежного насоса являются крыльчатка и корпус. В настоящее время широко распространены шнекоцен-тробежные насосы. В этом случае перед крыльчаткой устанавливается предварительная ступень в виде шнека. В конструкцию насоса входят также уплотнения крыльчатки.

Крыльчатки насосов выполняются закрытого типа, полуоткрытые и открытые крыльчатки открытого типа весьма просты по конструк­ции, но к.п.д. их ниже, чем у крыльчаток закрытого типа. Их час­то применяют в ТНА малых мощностей. Выполняются они обычно сталь­ными, т.к. перо лопатки, не подкрепленной с торца диском, значи­тельно нагружено центробежными силами.

Закрытые крыльчатки могут выполняться литыми или сборными. Шитые крыльчатки, выполняемые из литейных алюминиевых сплавов, обычно массивные. Из условий технологии изготовления и прочности толщина стенок порядка 4 - 5 мм. Основное достоинство закрытых литых крыльчаток - простота изготовления.

Крыльчатки - с большой шириной межлопаточного канала изготав­ливаются из литейных алюминиевых сплавов АЛ-4, ДЛ-5, СН2АЛ, для . насосов, работающих при высоких давлениях, - ДЛ-19. Отливка может выполняться по выплавляемым моделям. При этом рабочие колеса

получаются с проточной частью высокой точности и чистоты поверх­ности рабочих канатов, не требующей практически никакой обработ­ки.

Очень часто применяется сплав АВ / авиаль /, который закаляют и старят, а также анодируют.

Сборные закрытые крыльчатки обычно состоят из ведущего диска с лопатками и отдельной крышки - переднего диска, обычно задний диск с лопатками изготавливается с помощью механической обработ­ки или электроэрозией., передний диск - штамповкой. Крыльчатки из алюминиевых сплавов собираются с помощью пайки силумином. Толщи­ны стенок сборных крыльчаток могут быть значительно меньшими, чем у литых, и в отдельных выполненных конструкциях составляют 2,5-3 мм.

Крыльчатка может быть выполнена из трех частей ступицы с лопатками, заднего и переднего дисков.

Колесо насоса подвержено действию сил реакции потока, цен­тробежных сил и в случае посадки на вал с натягом - действию сил вместе посадки. Основные напряжения в теле колеса обычно создаются действием центробежных сил. Осевая сила, действуя на крыльчатку , зависит от сил давления жидкости, заключенной в зазоре между крыльчаткой и корпусом. Для уменьшения осевой силы и для уменьшения утечек из полости высокого в полость низкого давления на закрытых крыльчатках ставятся уплотнения. Если уп­лотнения с передней и задней стороны крыльчатки поставить на одинаковом радиусе, а полость на задней стороне крыльчатки со­общить с полостью на входе в насос дренажной трубкой, то осе­вая сила, действующая на крыльчатку, практически будет равна нулю.

Уплотнения выполняются бесконтактными - щелевыми или лаби­ринтными. Поверхности крыльчаток, по которым работают уплотне­ния, должны быть более твердыми, поэтому если колесо изготов­лено из алюминиевого сплава, на эти поверхности напрессовывают­ся твердые стальные втулки, обычно из стали 2Х13/ рис. 13 /

Для облегчения условий работы уплотнений на задней стороне крыльчатки иногда выполняют радиальные невысокие лопатки, пре­пятствующие движению жидкости в зазоре со стороны нагнетания к уплотнению.

Крутящий момент с вала на крыльчатки щнекоцентробежных или центробежных насосов передается через шлицы, шпонки или резьбу. шпоночные соединения или резьбовые соединения применяются при от­носительно небольших крутящих моментах. При шпоночном соединении крыльчатка центрируется на валу. В мощных ТHA используются шлицевые соединения с прямоугольными или звольвентными шлицами. иногда крыльчатки могут быть выполнены зацело с валом.

Конструкция корпусов насосов зависит от материала и способа изготовления. Корпуса могут быть литые, сварные и изготовленные путем механической обработки из заготовки. Когда это допускается условиями прочности, корпуса изготавливают литыми из алюминиевых сплавов. В этом случае корпус насоса состоит обычно из двух частей: корпуса сборника / улитки /,изготавливаемого зацело с одной из стенок, и съемной крышки. Крышка и корпус соединяются с помощью шпилек или свариваются. При больших давлениях компонентов и значительных размерах крыльчаток применяются стальные корпуса, получаемые отливкой или штамповкой. Большие осевые силы, действующие на отъёмную крышку, в ряде случаев требуют постановки большого количества болтов и значительного утолщения стенок в местах их постановки. Сварное соединение позволяют уменьшить толщину стенок фланцев. Недостатком сварных корпусов является сложность работы при доводке или ремонта агрегата.

Форма входной части корпуса насоса зависит в основном от выбранной схемы компоновки ТНА в установке.

Материалы. Для насосов большей частью применяются алюминиевые сплавы, в том числе для насосов, перекачивающих кислород, водород и фтор. Иногда применяется хромоникелевые стали Х81Н1ОТ, 1X18Н9Т.

Для облегчения веса в настоящее время крыльчатки насосов горючего выполняют из тиана – ОТ4 / для НДМГ /.

Материалы для водородных насосов должны обладать малой теплопроводностью. В перспектива - изготовление крыльчаток и корпусов из пластмассы, пластиков. Для криогенных компонентов это имеет большое значение, т.к. при этом уменьшается передача тепла от нагретых частей ТНА компонентам.

Уплотнения ТНА.