Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г. (1014171), страница 57
Текст из файла (страница 57)
бежные и осевые насосы, импеллеры и т.п.) . В общем виде осевая сила Я, на каждом из элементов ротора состоит из статической составляющей давления Я, и динамической А д„„от воздействия потока рабочего тела. Расчет и способы компенсации осевых сил на роторе ТНА рассмотрены в разд. 11.2. В элементах ротора ТНА возникают инерционные сиаы и моменты сил, связанные с особенностями его конструкции, точности изготовления и уравновешенности, а иногда из-за траектории полета ЛА (гироскопи.
ческие моменты) . Статическая и динамическая неуравновешенность элементов ротора характеризуется дисбалансом (т „е), максимально допустимое значение которого задается на чертеже с указанием радиуса и плоскости уравновешивания. Для одномассовой системы сила неуравновешенности Р„= гл я е со, з (11.4) где тн — неуравновешенная масса детали; е — условное смешение неуравновешенной массы относительно оси вращения. Неуравновешенность элементов ротора ТНА может приводить к опасным резонансным режимам его работы, чего нельзя допускать.
Для это~о значение частоты свободных изгибных колебаний ротора отстраивают за пределы рабочей частоты вращения ротора ТНА. Инерционные силы и гироскопический момент ротора связаны не только с компоновкой ТНА, но и с 2б4 параметрами траектории ЛА. Например, возникающая при ускорении инерционная сила нагружает ротор ТНА и его опоры, а также узлы крепления рамы ТНА к двигателю, При полете ЛА по криволинейной траектории с угловой скоростью й возникает повторное ускорение, вызывающее появление гироскопического момента, и для случая ьз г й имеем М„= Угой ппй, (11.5) где У вЂ” момент инерции массы ротора относительно снл вращения; щ— угловая скорость ротора; й — угол между осями, вокруг которых происходит вращение с угловыми скоростями ьз и й.
При й = 90' значение гироскопического момента максимально, а при д = 0 значение М„= О, что можно обеспечить компоновкой ТНА на двигателе. Полет по криволинейной траектории вызывает центробежную силу инерции ротора Р.=пг Яььз, 1 Р (11.6) где гл — масса ротора; Й вЂ” радиус кривизны траектории; Й вЂ” угловая Р скорость. Зная скорость лопеса ч в любой точке траектории, можно определить угловую скорость: й = ч/Я, и тогда выражение (11.6) примет внд т ч' Р= л (11.7) Нагрузки, воспринимаемые ротором, передаются на корпус ТНА.
В зависимости от условий работы двигателя зти нагрузки изменяются в широких пределах, причем наряду со статическими имеют место динамические нагрузки, вызывающие вибрации корпуса. Корпусные детали ТНА нагружены в первую очередь силами давления жидкости (корпуса насосов) или газа (корпуса газовых турбин и газо- воды). Лавленне внутри корпусов может достигать 50...60 МПа, что в сочетании с высоким нагревом (корпус турбины) или, наоборот, глубоким охлаждением (корпус насоса с криогенной жидкостью) создает дополнительные трудности в обеспечении надежной работы корпусов, так как последние обстоятельства существенно изменяют физико-механические свойства конструкционных материалов. Наряду с требуемой прочностью корпус ТНА должен обладать высокой жесткостью и герметичностью, Недостаточная жесткость корпуса может привести к повышенным вибрациям ТНА и задеванию вращающихся деталей о корпус. Кроме того, возможно коробление корпуса в связи с неравномерным нагревом его деталей, асимметрией их жесткости и нерациональным способом центрирования.
Нарушение герметичности наблюдается, в первую очередь, в разъемных конструкциях корпусов в связи с раскры- 765 тием стыков соединяемых деталей под действием сил давления, чему з значительной мере способствуют также вибрационные нагрузки. Обеспечение заданных энергетических и кавптационных характеристик высоконапряженного по техническим параметрам современного ТНА связано с необходимостью его работы в крайне сложных гндродинамп. ческих условиях.
При этом вихревые закрученные структуры течения пото. ка сочетаются с отрывным течением, с высокими динамическими состав. ляющимн напора потока в локальных зонах насоса и его гидравлпчес. кого тракта. Значения давлений и скоростей рабочего тела в различных элементах проточной части ТНА даже на установившемся, расчетном режиме работы распределяются неравномерно. Нз выходе из колеса насоса имеется высо. кая степень пульсации давления в потоке, вихревое взаимодействие с потоком в боковой пазухе насоса. В открытых и полуоткрытых центробежных колесах и импеллерах пульсации и неравномерность давления существуют в радиальном направлении.
Пульсации давления, возбуждаемые в потоке любым элементом гидравлического тракта, передаются в соседние полости, усиливаясь или ослабевая, и оказывают существенное влияние на работу узлов, устройств насосного агрегата н на их динамические характеристики. Например, пульсации давления, возникающие при вращении лопаток импеллера, вызывают колебания давления в полостях щелевого уплотнения с плавающим кольцом н нарушают его устойчивую работу, влияют на направ.
ление потока ~кндкости, охлаждающего подшипник, а также значение п характер осевой и радиальной сил, что изменяет нагрузку на ротор и его опоры. Это влияние приводит к нерасчетному режиму работы элементов ТНА, изменяет характеристики и работоспособность агрегата в целом. 11.2. ОСЕВЫЕ СИЛЫ НА РОТОРЕ ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА И КОНСТРУКТИВНЫЕ ПУТИ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ РАСЧЕТ СОСТАВЛЯИПЦИХ ОСЕНОА СИЛЫ При работе ТНА на рабочие колеса насосов и турбины действуют осевые силы, которые передаются на вал, а также воздействуют на подшипннковые опоры. Прп проектировании ротора ТНА расчет осевых сил и снижение их суммарных значений до приемлемого уровня является весьма важной задачей, так как долговечность подшипниковой опоры зависит от действующей иа нее осевой силы, кроме того, распределение осевых снл по длине вала необходимо знать при оценке его прочности.
Следует иметь в виду следующие особенности осевых сил, возникающих на роторе ТНА: составляющие осевой силы могут достигать очень больших величин (до 100 и более кн), в то время как их векторная сумма, воспринимаемая эбб адиально-упориым подшипником, обычно не должна превышать 0,5...0,6 кн; значение осевых сил зависит от частоты вращения ротора и, таким образом, различно на разных режимах работы ТНА. При уточненном расчете осевых сил решается комплексная задача ао определению давлений н расходов в так называемом вспомогатель. аом гидравлическом тракте насосного агрегата, те.
в тракте утечек рабочей жидкости. При оценочном расчете суммарного осевого усилия необходимо учитывать составляющие, которые приложены к следующим элементам конструкции ротора: шнекоцентробежным колесам насосов; рабочим колесам турбины; колесам гидродинамических уплотнений.
В данном разделе рассмотрена методика приближенной оценки значений осевых сил, возникающих на основных элементах ротора турбонасоса, приемлемая в эскизном проектировании. ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНОЕ КОЛЕСО НАСОСА На рис. 11.1 представлен эскиз шнекоцентробежного колеса насоса с условными обозначениями необходимых геометрических размеров и приложенных осевых нагрузок.
Осевая сила на рабочем колесе складывается из следующих составляющих: ߄— осевая сила давления р, на входе в насос, действующего на эффективную плошадь шнека; А — осевая сила давления рэ на выходе из шнека, действующего на торец покрывного диска крыльчатки; А э — осевая сила давления рэ (г), действующего на поверхность покрывного диска крыльчатки; Ятч — осевая сила давления рэ (г), действующего на кольцевую поверхность основного диска крыльчатки от наружного диаметра Р, до диаметра уплотнения Р,; тт э — ОСЕВаЯ Сипа ДаВЛЕНИЯ Рз действующего на кольцевую поверхность основного диска крыльчатки между уплотнениями с диаметрами Руэ и Ртз,' Рис.
11.1. Расчетная схема ддя опре. деления осевмх сад на шнекоиевтрояедмом колесе насоса Я д„„вЂ” динамическая составляющая осевой силы, представляюция собой силу реакции рабочей жидкости, протекающей в межлопаточных каналах центробежного колеса. Суммарное осевое усилие на насосе определяется как сумма состав. ляющих: ~гя ~гг ~гг ~гз Надин ~та ~гг. Любая статическая составляющая осевой силы может быль определена путем интегрирования давления по соответствующему элементу плоппцвг шнекоцентробежного колеса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
