Конструкции ТНА (Раздаточные материалы)

и, — коэффициент быстроходности ш -угловая скорость вращения р-плотность ц-КПД е — степень парцнальности (3 †уг лопатки Индексы ад — адиабатный вх — входной вых -выходной г -гидравлический кав — кавитационный ьр — критический л -лопатка н —. насос п -насыщенных паров т — т>рбина ср-срелннй ш — шнек цк- центрооежное колесо ! -вход 2 — выход 1.

Обзцие требования к насосным а~регатам в системе подачи ЖРД Одним из наиболее ответственных и напряженных узлов ЖРД является турбонасосный агрегат (ТНА), обеспечивающий подачу топлива в камеру сгорания. Наряду с общими требованиями к ТНА: минимальные масса и габариты; минимальная стоимость изготовления; высокая надежность„ достаточно высокий КПД агрегата; стабильность параметров на всех режимах работы ДУ, существуют и специфические требования, связанные с конкретными особенностями данной ДУ: определенный ресурс; возможность многократных запусков; учет конкретных физико-химических евойств используемых компонентов; компоновка ДУ и т.д.

Выполнение этих требований. в снл> их противоречивого характера. связано, как правило, с достижением компромиссов в процессе конструирования и доводки ТНА. Примером может служить выбор оптимальной угловой скорости ТНЛ Насосная система подачи в ЖРД вклкшает систему наддува баков. сами баки, арматуру, турбонасосный агрегат с;кидкостным газогенератором.

пусковую систему. Вытеснительная система наддува баков обеспечивает бескавитационную работу насосоа. Масса вытеснительной системы подачи компонентов из баков зависит от кавитационных качеств бустерных и основных насосов, определяемых формулой Известна зависимость тык„„, -- Г(п„) (рис.1), где а =«р— С„= 298 цз ( Р„„,.Р„)"' Р Чем ниже Р,„„р, тем ниже давление наддува баков, тем меньше масса газовых аккумуляторов давления (шарбаллонов), тем меньше масса газа наддува остается после отсечки тяги двигателя. Чем ближе Р „, к Р„, тем совершеннее насос, который, как правило, выполняется шнекоцентробежным. В нем сочетаются высокая всасывающая способность шнека (являющегося разновидностью малонагруженного осевого насоса с большой густотой решетки), с высоконагруженным центробежным насосом с максимально возможным КПД.

Уменьшение кавитационного падения давления на входных кромках насоса (Р,„„р — Р,) возможно при срыве всех струек на всасывающей стороне лопатки одновременно, однако зю трудно осуществить при наличии обратных токов и переменных режимах по расход' .

В основном насосе основная тенденция — увеличение и, поскольку главное требование — зто максимальный КПД и малая масса. Повышение «з 1НЛ позволяет уменьшить внешний диаметр рабочих колес центробежньж насосов, т.к. чем больше ш, тем меньше Р. (Нг„=и,(1 — л))и меныце внешний диаметр спирального сборника, следовательно, меньше толщина стенки и масса отводящего устройства насоса, находящегося под давлением 10...30 МПЛ. Повышение и увеличивает также в большинстве случаев КПД турбины, т.к. умелыпается диаметр колеса н снижаются потери дискового трения.

зрения бандажа, вен риляторные потери прп парциальном подводе газа, а так же потери на утечки в реактивной предкамерной турбине. 0,6 од, рц О,г , 0 0 соо гоо зао л, Рис. 1. Зависимость КПД насоса от коэффициента быстроходности: ! — объемные насосы: 2 — шнскоцснтробежные; 3 — осевые; «Л»- область двигателей без дожигания; «Б» - область двигателей с дожиганием Объемный расход пропорционален тяге двигателя, напор степаются увеличить, т.к. увеличение давления в камере сгорания увеличивает 1м. Если тяга невелика, а давление в камере сгорание бо,лысое, то п, может оказаться менее 100...200, при которых ть»,„», максимален, и увеличением «з можно изменить форму прогочной части насоса, приблизив к оптимальной.

Иногда, за счет применения двухстороннего входа для двигателей оольших тяг )лается наоборот снизить и, не снижая ы, добившись чакспмазьного КПД и хороших кавитационных качеств, поскольку расход уменьшается в 2 раза. С увеличением и уменьшается Р. насосов, а размеры подшипников и уплотнений меняются мало С уменьшением тяги двигателя и мощности ТНЛ затраты энергии турбопривода на работу подшипников. уплотнений и т.д, с увеличением ы становятся соизмеримыми с полезной мощностью насосов.

При ы > 8000 )'сек, рабочие колеса насосов выполняют с 3-мя лопатками илп а я Рис. 2. Зависимость КПД и угловой скорое~и от мощности ТНА ооо оооо ооаоо о 2. Компоновочные схемы ТНА между ними (рис. 3 а,б) щим признакам, парциальными, а турбина имеет только одно сопла. Зависимость КПД и оборотов ТНА от мощности можно представитырафиком.

(рис.2). Однако, увеличение аз ТНА порождает и проблелоьк чем больше аз, тем оольше потребное давление на входе в насос для бескавнтационной работы следовательно выше давление в баках Рв, что приводит к увеличению массы баков и элементов вытеснительной системы подачи. Один из путей решения проблемы — использование преднасосов — бустеров.

Но это конструктивно усложняет ДУ. В процессе конструирования ТНА для системы подачи топлива в ЖРД требуезся найти оптимальный вариант компоновки при котороч достигается максимьшьный удельный импульс лвшательной усгановки, минимальная масса системы подачи, включая выгеснительную систему подачи голдина на вхолы в насосы, минимальная масса самого ТНЛ. Взаимная ориен сания насосов и турбины зависят от физико-химических свойств окислителя, горючего н рабочего тела турбины, параметров входа и выхода. Многообразие компоновочных схем ТНА классифицируется по следую- Киншоатичесвая связь иасосав и отрбииы: однороториый или многоро торный (рслукторный) ТНАА рис.

31 Рис. 3. Компоновочные схемы однороторного (а, б, в) и многоротор- ных (г) ТНА: НΠ— насос окислителя; Нà — насос горючего; Т вЂ” турбина Тип ротора: одновальный ТНА или многовальный, например, с двумя вачами, соелиненными для передачи крутящего момента муфтой или рессорой ( рис. 4,и) Рис.4. Компоновочные схемы однороторных ТНА: а- центральное положение турбины; б, в — консольное; ~а, б — двухопорный; в- многоопорный); Т вЂ” зурбина основная; ТП- турбина пусковая Расположение турбииы апт ситеяьна насосов иа валу: консольно или и 1О + Рис.б. Схемы ТНА: Па числу опар вала: двухопорная или трехопорная (рис. 4, к, л), где третья опора увеличивает жесткость вала, причем одна из трех опор выполняется упругой в радиальном направлении с демпфером колебаний ротора.

Центральное расположение турбины обеспечивает осевой подвод к насосам, что снижает давление всасывания, но приводит к температурным деформациям статора и ротора. Консольное расположение турбины из-за высокого давления на выходе применяется в схемах с дожнганием и с насосами, имеющими двухсторонний вход. Радиально-осевая турбина располагается всегда консольно, а пусковая турбина может располагаться и между насосами. Н насос горючего; 2 — турбина; 3.4 — внутренние уплотнения насоса и турбины; 5- насос окислителя; б — гидродинамнческое кольцевое уплотнение, 7 — промежьточное уплотнение Для самовоспламеняющихся компонентов в компоновке ТНА должна быть предусмотрена система уплотнений с разделительной полостью и гидрозатвором (например, импеллером), предотвращающая контакт «газжидкость», что показано на рис.5.

При многократном запуске ТНА особое значение приобретают контактные, стояночные уплотнения, изолирующие полости насосов и турбины. В любом случае необходимо уменьшать осевой размер ТНА, не снижая надежности его работы, выбирая оптимальную компоновку, причем тип подвода к насосу значительно влияет на осевые габариты ротора. На рнс. 6 показаны подводы, отличающиеся не только осевыми н радиальными габарнтамн, но и влиянием на кавитационные качества насоса, создавая неравномерность потока прн входе на лопатки. Рис. 6.

Типы подводов: а — осевой. о — кольцевой; в — радиальный (коленообразный ц ~ - лолуспираль- ный На осевые габариты также влияет организация охлаждения н смазки подшипников. В случае консистентной смазки полос~» подшипника нзоллрь е ыя контактными, плотнениямн (рнс.

7,6). ы Рис. 7. Схемы смазки и охлажлення подшипников: а — компонентом топлива) б — консистентной смазкой; 1 - уплотнение; 2— подшипник; 3 — центробежное колесо; шнек При прокачке через подшипник компонента из полости высокого давления необходимо организовать отвод подогретой жидкости в область входа в насос, не ухудшая его кавитационных качеств через трубопровод в подводящее сзройстао ! см. рис. 7, а), или непосредственно на вход в центробежное колесо ч .рез раз рузочные отверстия, в которых может возникнуть кавитация.

3. Устройство турбонасосного агрегата При разработке конструкции ТНА определяющими являются физико- химические свойства компонентов топлива з,к, т.е. чем больше плотность окислителя р„, н горючего р„тем меньше потребляемая мощность при заданных Р„и т. тем выше достижимый 1,, а так же меньше Рз насосов, что уменьшает дисковые потери. повышает КПД насоса при высоких потребных напорах. Конструкция насоса окислителя отличаезся от насоса горючего диаметром 13 который меньше, т.к.