Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей (1049215), страница 42
Текст из файла (страница 42)
рис. 10.1, а) или межпу ними (см. рис. 10.1, б, в) . Угловая скорость ротора такого ТНА ограничи- вается антикавитационными свойствами насосов (обычно окислителя). Насос же горючего и турбина рабо~ают с пониженной (неоптимальной) угловой скоростью. Число валов, объединяемых в ротор ТНА, може~ быть несколько, и при однороторной схеме они соединяются муфтами или рессорами. В многороторных ТНА крутящий момент от турбины к насосам передает- ся через зубчатую передачу, объединяемую в редуктор (редукторный ТНА, см.
рис. 10.1, г) Каждая из схем имеет различные варианты конструктив- ного исполнения подводящих устройств насосов (радиальный или осевой), их относительного положения, число опор, систему смазки, уплотне- ния ит.п. Взаимная ориентация насосов и турбины, а также их расположение (рис. 10.2) зависят от многих факторов, основными из которых являются физико-химические свойства подаваемых насосами компонентов топлива, рабочего тела турбины и их параметров. При этом насос горючего и окис- лителя располагаются около турбины (см. рис, 10.2, а, б, в, г, д) нли один из них относится подальше (см. рис.
10.2, е, ж, з) . Таким образом, все многообразие компоновочных схем ТНА класси. фицируется по следующим признакам или их сочетаниям. 1. Кинематическая связь насосов и турбины: однороторный или много- роторный ТНА. 2. Тип ротора; одновальный ТНА (с одним валом) и многовальный (с двумя и более валами), 3. Расположение турбины относительно насосов; консольно или между ними (в центре), 193 7 — 1758 4, По числу опор вала; двухопорная или трехопорная схема, которая допускается в тех редких случаях, когда в схеме с двухопорным валом увеличенное расстояние между опорами приводит к недопустимо большому снижению изгибной жесткости вала (см.
рис, 10.2, к, л), При такой схеме ТНА система вал — опоры является статически неопределимой. Это затрудняет сборку ТНА из-за сложности точной посадки вала в корпусе по трем поверхностям и, следовательно, не обеспечивает надежного распределения нагрузок по всем трем опорам. На практике зто приводит к необходимости введения упругой связи в радиальном направлении между корпусом и одной из опор (введение упругой опоры) или установкой одной нз опор в корпусе с увеличенным радиальным зазором. Такая опора обеспечивает в пределах радиального зазора только ограничение прогиба вала ТНА Конструктивно безредукторный однороторный ТНА наиболее прост. Он выполняется двух-, трех- и четырехопорным (см, рис.
10.2, и). При двух- и трехопорном роторе реализуется одновапьная схема ТНА. - В одновальных ТНА с центральным положением турбины возможен вариант осевого подвода компонентов в оба насоса, что улучшает их антикавитацнонные свойства, технологичность сборки и разборки агрегата. В этом случае полости высокого давления насосов обращены к турбине, что ухудшает условия работы опор и системы уплотнений, особенно со стороны насоса, с недостатком компонента которого подается рабочее тело на привод турбины, Наблюдается различная степень износа ходовой части насосов, что приводит к несоосности, перекосам и поломкам агрегата. Улучшить условия работы уплотнений между полостями турбины и насосов и разгрузить ротор от осевых сил можно радиальным подводом компонента топлива в насос со стороны турбины (см.
рис. 10.2, в, г, д), хотя такие подводящие устройства ухудшают антикавитационные характеристики насоса и увеличивают длину агрегата. Компромиссом, например, будет Рис. 10.2. Компоновочные схемы олвороторяых ТНА: А — центральное положение турбины; Б,  — консольное; (А, Б — двухопорныа;  — мпоюопсрныаП Т вЂ” турбина основная; ТП вЂ” еурбияа пусковая 194 схема (см. рис. 10.2, б), в которой обеспечивается осевой подвод у одного насоса (чаше окислителя), хотя и усложняются условия работы опор ротора, При этом сокращается длина вала ТНА, улучшаются условия подвода компонентов в один насос и компоновка его предвключенной ступени. Центральное положение турбины всегда обеспечивает надежное разделение полостей насоса друг от друга, симметрично распределяется крутящий момент от диска турбины, и легко реализуется осевой подвод в оба насоса.
Однако условия работы такого ТНА крайне сложны из-за больших градиентов температуры, вызывающих деформации статора и ротора, и обязательно требуется термокомпенсация. Увеличение угловой скорости ротора ТНА и давлений на выходе насосов, применение криогенных компонентов топлива (жидкие кислород, водород и др.), выполнение двигателей с дожиганием приводят к необходимости располагать турбину ТНА на консоли (см. рис.
10.2, е, лс, з, и, к, л). Консольная компоновка ТНА уменьшает массу конструкции подвода и отвода рабочего тела турбины. Такая схема целесообразна, если один из насосов выполняется с двухсторонним входом. Для осевого входа в один из насосов (что обеспечивает его высокие'антикавитационные свой. ства) приемлемы схемы ТНА, представленные на рис. 10.2, е, з. Их отличие заключается в способах разгрузки ротора ТНА от осевой силы.
В двигателях с дожиганием и при использовании в ТНА реактивной центростремительной турбины ее консольное расположение становится единственно возможным вариантом. В ТНА двигателей с дожиганием основная турбина (Т) — реактивная осевая (см. рис. 10.2,к) или центростремительная (см. рис, 10.2, л) — располагается на консоли,а пусковая (ТП) — активная — между насосами.
Это упрощает конструкцию газовода рабочего тела высокого давления после предкамерной турбины и компоновку двигателя. Рядом с основной турбиной помещается насос компонента топлива, на избытке которого она работает. Например, рядом с турбиной, работающей на газе с избытком окислителя, располагается насос окислителя. В противном случае у самовоспламе~июпшхся компонентов при незначительных протечках в полости турбины образуется локальное повышение температуры с последующим аварийным исходом.
Надежное разделение полостей насосов гарантируется уплотнениями по валу у пусковой турбины, Наиболее простая компоновка у агрегатов раздельной подачи. К ним прежде всего относятся бустерные насосные агрегаты с газовой или гидравлической турбиной.
Последняя широко применяется в ДУ с криогенными компонентами топлива. Конструктивно такие агрегаты просты, так как рабочим телом турбины служит компонент, подаваемый самим бустерным насосом. Схемы с раздельными ТНА применяются в двигателях с дожиганием по схеме "газ — газ", когда рабочее тело в камеру двигателя поступает газообразным. При этом одна из турбин работает на газе с избытком горючего, другая — с избытком окислителя. Наличие отдельного привода обеспечивает каждому насосу высокие энергетические параметры и наилуч- 195 щие антикавитацнонные свойства. Применение раздельных ТНА улучшает массовые характеристики и упрощает конструкцию ДУ большой тяги (сотни кнлоньютонов и более) путем осевого подвода в насосы, простой системы уплотнений между турбиной и насосом.
В ряде случаев такие одно- роторные ТНА выполняются в едином блоке с ЖГГ. В целях повышения компактности агрегата, объединяюшего ЖГГ и ТНА, применяется компоновка с петлевым течением газа от ЖГГ к турбине ТНА и далее в камеру двигателя, В раздельных ТНА с объединением их в единый корпус турбина может быть бирота тинной со своими опорами. Из всех однороторных ТНА наиболее простой конструкцией и, как слецствие, более высокой надежностью обладают одновальные (см. рис. 10.2, е, з) с активной газовой турбиной на консоли, Такая ком.
поповка упрошает угшотнения насоса горючего, что важно при самовоспламеняющихся компонентах, а осевой подвод в насосе окислителя способствует его высоким антикавнтацнонным характеристикам. Однако из-за равенства угловых скоростей турбины и насосов условия их работы неоптимальны, и зто является недостатком схем. Значение угловой скорости ротора такого ТНА принимают исходя из максимально допустимой для насоса окислителя: с дь Ота кР кр шах 298 17 оя (10.1) где С вЂ” кавитационный коэффициент быстроходности насоса, характекр з ризуюший его конструктивное совершенство; 1' — расход, м /с; гз/1 напор на входе, Дж/кг, соответствующий критическому давлению р сь ккр "и вх ЬЬ = + —, ко р 2 (10 Д) где р„— давление насыщенных паров компонента; с „— скорость компонента на входе в насос.
Для насоса горючего расчетное значение со „.„всегда больше, чем насоса окислителя. На рис. 103 приведена зависимость оз = озг/оз гпг ге ь'ок Рис. 1О.З. Зависимость отношения наибольших угловых скоростей насосов горючего ы я окислителя ыдк пря разг личной плозностп компонентов топлив йе к,к — Рг рек 196 отношения наиболее возможных угловых скоростей ротора насоса горючего сот и окислителя оз из-за разницы плотностей компонентов при условии равенства величин ЬЬ р и Ск„у обоих насосов, Например, в ТНА КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫХ ДннтатЕЛЕй Озр Н Ссг ОтЛИЧаЮтСЯ ПОЧТИ В ШЕСТЬ раз. В одновальных ТНА двигателей без дожигания такая разница в угловых скоростях недопустима, так как ввиду низкой угловой скорости, присущей насосу окислителя, газовая турбина будет работать с низким КПД из-за малого значения и/с..
В таком случае при высоких энергетических параметрах насосов и турбины наименьшие габаритные размеры и масса будут у многороторного ТНА с передачей крутящего момента между валами через зубчатую передачу (редукторная схема) (см. рис, 10 1, г). Для оценки массы ТНА можно применять зависимость, связываюшую массу ТНА с гндроцинамнческими параметрами системы питания. Для безредукторной схемы формула имеет вид ТНА (10.3) где рок, рг — плотность окислителя и горючего; I~~~, к' — объемные расходы насосов; Н, Н вЂ” напоры насосов; со — скорость вращения ротора; КТНА — конструктивный коэффициент, зависяШнй от схемы ТНА, Ктня = (0,3...0,35) 10 с рад/м . ДлЯ насосов с ДвУхстоРонним вхоДом значениЯ КТНА слеДУет пРинимать на 10...15 % большими.
Задачу выбора компоновочной схемы ТНА можно сформулировать как целевую функцию определения для конкретных исходных данных такой совокупности значений признаков схемы, прн которой наилучшим образом реализуются требования к конструкции ТНА и всей ДУ. К основным факторам, определяюгцим выбор той или иной компоновочной схемы, относятся уровень температуры компонентов, подаваемых насосами, и рабочего тела турбины, а именно: высококипяшая жипкость или низкокнпягцая (криогенная), склонность ее к термическому разложению, а также к возгоранию или взрыву при контакте компонентов между собой или с газом турбины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
