Описание турбонасосного агрегата

ОПИСАНИЕ ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА.

Настоящий ТНА предназначен для одноразового разгонного двигателя изделия, стартующего с промежуточной орбиты в космическом пространстве. Двигатель работает с дожиганием генераторного газа в камере. Компоненты топлива - керосин Т-1 и жидкий кислород.

Тяга двигателя в пустоте Р_П = 6800 кг/с с учетом тяги рулевых сопел, управляющих изделием по каналу "вращение". Тяга рулевых сопел P_п.д.с. = 21 кг/с. Запуск - двухступенчатый, без предварительной заливки насосов. Зажигание - пиротехническое с помощью триэтилалюминия. Перед запуском производится заволакивание магистрали кислорода в течение 7 секунд. Расход окяслителя на захолаживание - 38 литров.

Запуск ТНА осуществляется от пусковой турбины, работающей от порохового стартера с давлением в камере P_ст= 150 ата.

Время выхода двигателя на режим предварительной ступени -  = 0,9 0,15 с. Время выхода двигателя на режим / 75...80% от P_ном /-  = 1,0 0,15 с.

Наддув бака окислителя осуществляется газообразным кислородом из теплообменника / расход m₀ = 0,22 кг/с /. Наддув бака горючего - восстановительным газом из специального ЖГГ / расход m₀= 0,04 кг/с /. Температура газов на выходе из теплообменника в бак окислителя - не более 260 °С, температура газов на входе в бак горючего - 200...350°C.

Турбина работает на окислительном газе. Давление в газогенераторе P_гг = 125 ата.

Давление в камере P_к = 54,5 ата, давление на срезе сопла P_а = 0,0545 ата.

Давление на входе в насос окислителя P₁₀ = 4,5 ата, в насос горючего Р_1г = 2,0 ата.

Давление на выходе из насосов P₂₀ = 152 ата, P₂₅ = 140,5 ата.

Расход компонентов через турбину – m_0т = 14,289 кг/с, m_гт =5,95 кг/с.

Удельный импульс в пустоте I_уп = 340,0 1/с. КПД турбины  = 0,69, число оборотов n= 24000 об/мин.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ТНА.

Турбонасосный агрегат состоит из двух узлов - насоса горючего с пусковой турбиной и насоса окислителя с основной турбиной. Между корпусами насосов в качестве термомоста установлено кольцо из текстолита.

Насос горючего. Корпуса насоса выполнены литьём в кокиль из алюминиевого сплава ВАЛ-5, обладающего высокой плотностью /герметичностью/. Стык корпусов уплотняется резиновой прокладкой в клиновидном гнезде.

Насос имеет полуспиральный вход. Ротор насоса вращается в двух шарикоподшипниках, выполненных из стали 9Х18. Сепараторы подшипников выполнены из фторопласта - 4, имеющего малый вес / по сравнению с бронзой / и низкий коэффициент трения, благодаря чему существенно уменьшается износ сепаратора и значительно увеличивается работоспособность подшипника. Отбор компонента на охлаждение подшипника производится из зоны высшего давления /перед улиткой/ и через жиклер, обеспечивающий подачу 50...60 г/с, по специальному отверстию подается к заднему подшипнику компонент. Пройдя через оба подшипника, охлаждающая жидкость попадает на вход в колесо насоса.

Колесо насоса паяное из алюминия АВ. В колесе 12 лопаток, из них 6 укороченных для уменьшения загромождения сечения на входе в колесо. Лопатки оформляются на заднем диске методом скоростной штамповки. Входные кромки лопаток выполняются толщиной 0,6...1 мм с плавным /на длине 12...15 мм/ переходом к основному сечению лопатки, что позволяет / при перерасширенном входе/ иметь высокие антикавитационные свойства основного насоса, что весьма важно при работе на компоненте, насыщенном газом. Передний диск также выполнен из АВ и припаян к лопаткам силумином СИЛ-0.

Алюминиевый сплав АВ характерен тем, что при глубоком анодировании образует прочную пленку толщиной более 100 мк /HRe>35/. Это свойство АВ используется при выборе конструкции уплотнения / трущейся пары/.

Уплотняющие пояски колеса подвергаются глубокому анодированию, плавающие кольца выполнены из БрОС 10-10.

Для уменьшения осевого усилия, действующего на кольцо, на рабочем торце выполняется конус. Плавающие кольцо по торцам контактируют с дисками из сплава ЭП-164, установленными в алюминиевые корпуса насоса. Шнек двухзаходный с переменным шагом, выполнен из алюминия Д16. Уплотнение вала осуществляется импеллером и резиновыми манжетами. Импеллер служит для снижения давления, действующего на манжеты. На основном режиме давление перед манжетами не превышает 1...1,2 атм. / при давлении в полости до 15 атм/. После первых двух манжет образована дренажная полость, из которой утечки удаляются за борт.

Насос окислителя. Насос окислителя имеет полуспиральный подвод. Входной патрубок и улитка выполнены в одной отливке из ВАЛ-5. Шнек двухзаходный, переменного шага, стальной /ЭД-164/. Колесо насоса имеет 8 лопаток и по конструктивному оформлению аналогично колесу насоса горючего.

Особенности уплотнения с анодированной втулкой в среде жидкого кислорода заключается в следующем. Как известно, для криогенных жидкостей отпадает вариант с запрессовкой на алюминиевое колесо стальной втулки, поскольку в процессе охлаждения конструкции за счет разных коэффициентов расширения алюминия и стали натяг в стыке втулка - колесо исчезнет и уплотнение будет неработоспособным.

В настоящее время могут быть применены два способа упрочнения / повышения твердости / уплотняющих поясков алюминиевых колёс: хромирование и глубокое анодирование. Хромиронание алюминия - сложный процесс, и нет надежных способов контроля качества сцепления хрома с алюминием. В процессе работы, когда имеет место трение кольца по хрому, за счет местного повышения температуры возможно отслаивание покрытия.

При глубоком анодировании уплотнительных поясков прочность сцепления окисленного слоя с основным металлом гарантирована, пленка достаточно прочна и не боится местных перегревов. Окисленный алюминий менее склонен к возгоранию в кислороде, чем хром.

Колесо насоса используется в качестве разгрузочного элемента от осевой силы, действующей со стороны турбины, для чего диаметр переднего уплотнения насоса выполнен на 11 мм меньше диаметра заднего уплотнения.

Для исключения перетекания газообразного кислорода из полости турбины на вход в насос между турбиной и насосом /в корпусе подшипника/ создана разделительная полость /гидравлический затвор/, в которой за счет установки уплотнений со стороны насоса / бронзовое кольцо на ступице колеса насоса/ и фторопластового уплотнения со стороны турбины поддерживается давление жидкого кислорода выше, чем давление в турбине. Подвод жидкого кислорода к разделительной полости осуществляется по трем каналам с отбором на уровни Д₂ колеса. Для использования скоростного напора /5...6 атм./ заборные пазы выполняются по винтовой линии с углом 30 градусов.

За счет гидравлической связи насоса и турбины гарантированно обеспечивается разделение полостей.

Ротор вращается в двух подшипниках. Подшипник со стороны насоса горючего по конструкции аналогичен подшипникам горючего. Он охлаждается жидким кислородом, подаваемым через специальное отверстие в корпусе насоса.

Основной радиально-упорный подшипник, расположенный в разделительной полости, выполнен с разъемным внутренним кольцом, благодаря чему угол контакта шариков с дорожкой увеличен с 12 до 26 градусов. С увеличением угла контакта существенно увеличивается величина допустимой осевой нагрузки, действующей на подшипник.

Сепаратор выполнен из материала ФН-202 /фторопласт - 4, наполненный примерно тремя процентами дисульфида молибдена МоS₂ и примерно 10% порошкового никеля/.

Особенность охлаждения всех подшипников состоит в том, что часть охлаждаемой жидкости пропускается по 10 каналам /пазам/ в вале под внутренним, наиболее напряженным кольцом. Помимо улучшения условий охлаждения уменьшается перепад давления, действующий на сепаратор.

Фторопластовое уплотнение разделительной полости со стороны турбины представляет собой фторопластовое кольцо /типа "ласточкина хвоста"/, опирающееся на стальные буртики корпуса и опорного кольца. При сборке зазор между кольцом и буртиками составляет 0...0,15 мм по валу 0,1...0,2 мм. При охлаждении кольцо плотно садится на буртики, исключая перетечки компонента вокруг кольца. Одновременно уменьшается зазор по валу. Для исключения проворота кольца в корпусе, что приводит к перегреву кольца за счет трения, а также к возгонке фторопласта, кольцо фиксируется в корпусе специальным выступом-фиксатором. Независимо от продолжительности работу износ кольца составляет 0,02...0,04 мм, при этом уточки в турбину составляют 200...250 г/с.

Уплотнение по валу его стороны насоса горючего представляет собой плавающие меднографитовые кольца из материала МГ / 30% графита/, используемого в электрических машинах для изготовления щеток.

После трех колец утечки кислорода выводятся в дренаж, после следующих двух организован дополнительный (промежуточный) дренаж /дренажное отверстие в корпусе насоса горючего/. Поверхность вала под плавающими кольцами хромируется.

Турбина. Турбина радиально-осевая, центростремительная, реактивная. Корпус выполнен из никелевого сплава ЭП-590 / ХН57МТВЮ /. Выполняется литьем в вакууме по выплавляемым моделям. В отличие от других жаропрочных сплавов - это свариваемый сплав, что позволяет избежать фланцевых стыков на горячих газоводах и исправлять дефекты литья подваркой. Сопловые лопатки являются силовым элементом корпуса, благодаря чему деформация корпуса ничтожна. В связи с использованием лопаток в качестве силового элемента профиль выполнен усиленным. Так, толщина выходной кромки составляет 2,5 мм.

Диск выполнен из сплава ЭП-164 заодно с валом. Лопатки фрезеруются по радиусу, а затем в гибочном штампе выходные кромки лопаток загибаются под заданным углом.

На поверхность проточной части турбины / в корпусе и на диск / наносится теплозащитная эмаль Э3-1, смягчающая вредное воздействие на материалы термических ударов, возникающих в процессе запуска, когда на охлажденные детали попадает газ с высокой температурой.

Уплотнение между корпусом турбины и корпусом подшипника, через который он соединяется с корпусом насоса, осуществляется медным кольцом из М-1, а между корпусом подшипника и корпусом насоса - прокладкой из круглой алюминиевой проволоки, подвергнутой освинцеванию.

ОПИСАНИЕ БАКОВОГО ТУРБОНАСОСА ГОРЮЧЕГО / БТНГ /

/ бустерного преднасоса /

В системе питания ДЛА между баком и основным шнекоцентробежным насосом устанавливается вспомогательный / бустерный /насос, который используется для повышения антикавитационных качеств системы питания. Бустерный насос обеспечивает повышение давления компонента от давления на входе в систему питания до давления, необходимого для бескавитационной работы основного насоса ТНА

Вал бустерного насоса вращается, как правило, с меньшим числом оборотов, чем вал основного насоса, поэтому для его бескавитационной работы требуется меньшее давление на входе. Благодаря этому может быть уменьшено давление на входе в систему и, следовательно, давление в баке. Таким образом, сам бустерный насос обладает очень высокими антикавитационными свойствами.

Число оборотов основного насоса при наличии бустерного может быть выбрано независимо от его антикавитационных свойств в пределах работоспособности подшипников.

Описываемый турбонасосный агрегат расположен непосредственно на выходе компонента из бака горючего и называется баковым.

БТНГ состоит из двух узлов - насоса и турбины, корпуса которые соединены шпильками. Валы насоса и турбины соединяются между собой через редуктор с внутренним зацеплением с передаточным числом i = 4 и вращаются с разными числами оборотов - число оборотов вала насоса n_н = 4500 об/мин, а вала турбины - n_т = 18000 об/мин.

Корпус насоса литой из сплава ВАЛ-5. Перед центорбежным колесом установлен двухзаходный шнек с постоянным шагом, выполненный из алюминиевого сплава Д16. Крыльчатка выполнена из алюминиевого сплава АВ / авиаль /. Передняя крышка крыльчатки припаевается к лопаткам силумином.

Уплотняющие пояски хромируются с последующей шлифовкой и полировкой. Уплотнения щелевые. В качестве уплотняющего элемента выбран фторопласт - 4. Уплотнение на заднем диске выполнено на меньшем диаметре с целью уменьшения утечек. Возникающая при этом осевая сила воспринимается подшипником справа от крыльчатки.

Передний подшипник вала расположен во втулке решетки / пилона /, установленной перед шнеком для исключения закрутки потока перед насосом. Кроме того, на входе установлен конус, ограничивающий распространение вихревых течений в продольном направлении.

Подшипники смазываются компонентом / керосином Т-1/, передний - через отверстие в колпачке, основной, который расположен в переходном корпусе, соединенном с корпусом насоса фланцевым соединением, - компонентом, притекшим через заднее уплотнение насоса.

Ротор турбины расположен в алюминиевом корпусе, эксцентрично соединенном с переходным корпусом насоса, корпус турбины литой по выплавляемым моделям из сплава ЭП-590. Сопловой аппарат отливается отдельно и в варивается в основной корпус. Диск турбины - из алюминиевого сплава АК-4. Лопатки фрезеруются.

Уплотнение по газу осуществляется с помощью лабиринта по торцу диска и уплотнением по валу. Утечки дренируются за борт.

Компонент уплотняется резиновыми манжетами. После первых двух манжет создан дренаж для жидкости. После третей манжеты расположен промежуточный дренаж.

Для обеспечения безопасной работы / при выбранном радиальном зазоре между диском и корпусом / в активной зоне в корпус вмонтирован фторопластовый вкладыш.

При запуске БТНГ используется сжатый азот, а затем турбина работает на продуктах из основного газогенератора. Расход газа через турбину - 0,075 кг/с. Расход Т-1 через насос - 8,16 кг/с, напор насоса - 30 м, давление на входе - 1.2 ата, КПД насоса - 0.6, КПД турбины - 0.34.

БТНГ многоразовый, предназначен для работы в космическом пространстве.

ОПИСАНИЕ БАКОВОГО ТУРБОНАСОСА ОКИСЛИТЕЛЯ (БТНО)

В системе питания ДЛА между баком и основным шнекоцентробежным насоcом устанавливается вспомогательный / бустерный / насос, который служит для повышения антикавитационных свойств системы подачи. Бустерный насос обеспечивает повышение давления компонента топлива от давления на входе в систему питания до давления, необходимого для бескавитационной работы основного насоса ТНА.

Вал бустерного насоса вращается, как правило, с меньшим числом оборотов, чем вал основного насоса, поэтому для его бескавитационной работы требуется меньшее давление на входе. Благодаря этому может быть уменьшено давление в баке.

Число оборотов основного насоса при наличии бустерного насоса может быть выбрано большим.

БТНО расположен непосредственно на баке окислителя. В качестве окислителя в данном изделии применяется жидкий кислород.

БТНО состоит из двух узлов - насоса и турбины.

Корпус насоса литой и выполнен из прессматериала ДРВ-2-Р-М, а вал насоса - из прессматериала АГ-4С. Это сделано для того, чтобы уменьшить передачу тепла от турбины к баку, содержащему криогенный компонент, с целью улучшения антикавитационных свойств всей насосной установки. Вследствие того, что подача кислорода осуществляется при температуре, близкой к температуре кипения, особенно нежелательно тепловое воздействие на него, так как при этом он частично испаряется и подходит к насосу в виде двухкомпонентной жидкости, что может вызвать возникновение кавитационного режима в насосе.

Крыльчатка насоса выполнена за одно целое с полым валом, лопатки фрезерованные, их количество - 8 штук. В заднем диске имеются разгрузочные отверстия. Материал кральчатки - алюминиевый сплав АВ / авиаль /. Передняя и задняя крышки припаиваются к крыльчатке силумином СИЛ-0. Крыльчатка анодируется, оксидируется, а затем передний, задний диски и внутренняя полость покрываются суспензией фторопласта - 3 в 15...20 слоев для того, чтобы уменьшить теплоотвод от вала к компоненту.

Уплотнение на переднем и заднем диске - щелевого типа. В качестве уплотнительного элемента используется кольцо, выполненное из БрОС 10-10. Поверхность уплотняющих поясков хромируется, затем шлифуется и полируется.