Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей (1049215), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Возможно использование специальных, однокомпонентных топлив, отбора газа из камеры сгорания, нагрев отдельно рабочего тела турбины в тракте охлаждения камеры двигателя и др. Для привода насосов в двигателях без дожигания применяются активные турбины, в двигателях с дожиганием— одноступенчатые реактивные. Повьпление угловой скорости ротора насосного агрегата ограничивается в основном антикавитационными характеристиками насосов, реже работоспособностью уплотнительной системы и опор ротора. Размещение иа общем валу с газовой турбиной насоса нли нескольких насосов для подачи высокоагрессивных и токсичных рабочих тел, которые при соединении могут вступить в химическую реакцию со взрывом, приводит к необходимости тщательного анализа при выборе компоновочной схемы.
Следует учитывать, что физико-химические свойства рабочих тел, подаваемых насосами, изменяются в широких пределах, Экстремальные условия работы агрегата будут при расположении газовой турбины, рабочее тело которой имеет температуру более тысячи градусов, рядом с насосом криогенного компонента. При больших перепадах температур и давлений межпу соседними полостями ТНА сложно создать конструкцию надежного уплотнения на валу, В таких условиях от системы уплотнения зависит не только зкоиомичность, но и работоспособность ТНА в целом. Схемы ТНА при различной компоновке турбины и двух шнекоцентробежных насосов, приведены на рис. 10.4. Перекрещенными прямоугольниками отмечены места возможного расположения уплотнительных устройств между полостями с деталями, имеющими относительное перемещение. В конструкции ТНА с центральным положением турбины (см, рис.104,а) обеспечивается симметричное нагружение опор ротора, более рационально распределяется крутящий момент и надежно герметизируются жидкостные полости насосов, что важно, когда компоненты топлива способны вступать в химическую реакцию.
Оба насоса при такой компоновке имеют осевой подвод и, следовательно, повышенные антикавитационные характеристики, Однако в ятом случае усложняется система уплотнений со стороны насоса, компонент которого вступает в химическую реакцию с рабочим телом турбины, Зги недостатки при необходимости решаются конструктивно, и такая схема ТНА применяется в двигателях без дожигания с малым значением тяги. При консольном расположении турбины (см.
рис. 10.4, б) исключает. ся влияние температурных деформаций на работу подшипников ротора и тепловых потоков в один из насосов, особенно, когда подается криогенный компонент, Турбина при консольном расположении получается компактной и легкой. Такая схема единственно приемлема в ТНА двигателей с дожиганием и при высоком уровне тяги двигателя без дожигания. В конструкции ТНА удобно компонуются высокорасходные насосы, имеющие двухсторонний подвод. Однороторный ТНА ЖРД РД-119 (рис. 10.7) состоит из двухступенчатой газовой турбины активного типа и центробежных насосов окислителя (жидкий кислород) и горючего (НДМГ), Конструктивно ТНА выполнен из двух основных составных частей; турбины с насосом гор~ечего и насоса окислителя с отдельными валами, каждый из которых установлен на двух шарикоподшипниках.
Валы соединяются рессорой с звольвентными шпицами, обеспечивающей передачу крутящего момента с вала турбины и насоса горючего на вал насоса окислителя, Корпуса турбины, насоса горючего и насоса окислителя соединены между собой шпильками через радиальные шпонки 5 и 13, позволяющие сохранить соосность соединяемых составных частей ТНА при температурных деформациях, возникающих в результате большой разниды температур рабочих тел турбины и насосов. Центробежные крыльчатки насосов разгружены от осевых усилий благодаря расположению по обе стороны уплотняющих буртов на разных уровнях, а также наличию отверстий в дисках. Неуравновешенная часть осевой силы в каждом из насосов воспринимается одним из подшипников, закрепленном в осевом направлении по внутреннему и наружному кольцам.
Двухступенчатая турбина со ступенями скорости расположена консольно на общем валу со шнекоцентробежным насосом горючего„подающим НДМГ. Крутящий момент от дисков 2 и 4 турбины передается иа вап насоса горючего с расположенным на нем центробежным колесом 8. Крутящий момент от вала 10 насоса горючего передается через шлицевые соединения рессоры 12 на вал 17 насоса окислителя, расположенного на двух подшипниках 19 и 20, работающих в среде жидкого кислорода.
Корпус 7 насоса горючего„объединяющий подводящее устройство и диффузор с улиткой, соединяется с крышкой 6 шпильками. Для разделения полостей насоса и газовой турбины по валу расположены уплотнительные кольца и манжеты, Подшипники 11 и 21 насоса горючего работают в среде консистентной смазки. Примером конструкции раздельных ТНА могут быль насосные агре- 203 ы ~ о у у ~Ч хо о ''„ ы о" И о ..и "Ю у и Ю а о о а Я- м ~ Ф ~о х о ыо, о о Д о о ы а а й. х ы М о о а,р у о х у О О » Ъ у х Ы;," о о х~ г о о Ф х" ю Мы~~ ,йх а о х ~о ,йЯ 1 О яуг-о оО.
о у ох а а Здо у, о а, ос~ Ь'хо у „Х -ей И о 4 о х Й х Б о. Е х у о у ы о о о 1 о ы й. о х о х о 1 Ю о о. й О. о о о хг о Р ц> М Ф о о о у о Ф Ц о а ~ й,. О В Ой о о у М у фо р8 Ю х ОО .О ой х газ гаты маршевого ЖРД БИМЕ многоразового транспортного космического корабля, ТНА подачи жэщкого водорода (рис. 10.8) имеет осевую газовую турбину с двумя дисками б, трехступенчатый насос с центробежными колесами 4, расположенными в корпусе 5 с крышкой 1.
Опорами ротора являются сдвоенные радиальные шариковые подшипники 2, охлажцаемые водородом. Для восприятия высоких осевых нагрузок при рзботе на номинальном режиме используется самоустанавливаюшийся балансировочный поршень, в качестве которого служит торцевая поверхность колеса третьей ступени насоса. Весь ротор ТНА стягивается болтом 3. В качестве привода для насоса с малой частотой вращения и особенно бустеров применяются гидротурбины, что связано с рядом их достоинств, к основным из которых относятся; мзлые масса и габаритные размеры, взрыво- и пожаробеэопасность, простота конструкции уплотнительных узлов.
Рабочее тело гидротурбины подается от специального насоса или используется часть компонента, отбираемого от высоконапорного насоса основного ТНА. Часто гидравлическая турбина получается малорасходной с низкой быстроходностью, что обусловлено высоким перепадом давлений (5,0...8,0 МПа) рабочего тела, приводящего к парциальности рабочей ступени и низкому КПД. В ЖРД малой тяги в качестве привода насосов возможно применение электродвигателя, питаемого от аккумуляторных батарей, включенных в общую бортовую электрическую систему транспортного космического аппарата.
Схема ЭНА с двумя центробежными насосами подачи горючего 1 и окислителя 2 двигателя малой тяги с многократным включением мзлой продолжительности и с длительными перерывами между запусками, предназначенного для межорбитального транспортного корабля, приведена на рис. 109. ЭНА обеспечивает тягу ЖРД 4,45 кН при давлении на выходе из насосов 13 МПа и расходах монометилгидразина тг = 0,325 кг/с, азотного тетраксида лг к = 0,68 кг/с.
Привод насосов — электродвигатель — расположен между ними и обеспечивает надежное разделение самовоспламеняющихся рабочих жидкостей. Двигатель выполнен с сухим статором и охлаждается одним из компонентов топлива, подаваемого насосом в тракт охлаждения корпуса 4. Смазка и охлаждение подшипников 5 в каждом насосе осуществляется компонентом. Надежное отделение полости электродвигателя от перекачиваемой жидкости обеспечивается импеэшерами б и контактными уплотнениями 7, К основным характеристикам качества конструкции ТНА относят: степень отработки конструкции; технологичность и себестоимость; осевые и радиальные габаритные размеры и масса; условия работы опор на заданный ресурс; степень герметизации н условия работы уплотнений; антикавитационные характеристики насосов; гидро- и гззодинамические характеристики трактов ТНА 5 Б 7 8 9 У 4 7 Б 5 7 гуа дласг У ггагаг Рис.
10.9. Схема ЭНА ЖРД малой тяги мсвсорбитэльного транспортного корабля: 1 — насос горючего; 2 — насос окислителя; 3 — ротор; 4 — корпус тракта охлаждения эвсктродвиштедя; 5 — подшипники; б — нмпслвсры; 7 — уплотнения; 8 — корпус; 9 — статор электродвигателя Если какая-либо из перечисленных характеристик качества является главной, то ее берут эа основу при выборе конструктивной схемы ТНА н его компоновки. Наилучшие гидравлические характеристики присущи ТНА, которые имеют наименьшие значения суммарных гидравлических потерь по проточной части тракта газовой турбины и насосов от входа до выхода из ТНА, позволяющие получить наибольшие значения его КПД. Лучшими антикавитационными характеристиками обладают ТНА, в которых все насосы обеспечивают работу ДУ с минимально возможным значением давления напдува топливных баков. Наилучшую герметичность имеют ТНА с наименьшим числом стыков и узлов уплотнений, простых по конструкции и имеющих высокую стабильность характеристик по герметичности как при хранении, так и во время работы.
Например, герметизации корпусов насосов сваркой следует отдать предпочтение, чем уплотнению стыка прокладкой и тл. Наилучшая работоспособность опор принимается в ТНА, где минимальны значения осевых и радизльных нагрузок на роторе. При оценке габаритных размеров (осевых, радиальных) н массы ТНА оптимальной считается схема; обеспечивающая наименьшие значения анализируемой величины. Стоимостные работы оцениваются исходя из величины удельных затрат, приходящихся на ТНА в составе ДУ, с учетом технологичности конструкции и характера производства (единичного, мелкосерийного, серийного), Возможна ситуация, когда необходимо учитывать одновременно несколько характеристик качества, так как они имеют первостепенное значе- 207 ВЫХ ВХ ВЫХ ВХ Р вЂ” Р г (! 0.4) с' — с' выл вх Рвых "Р Н= ( — + Р Рвх (10.5) Полезная мощность насоса 7У = р Рс гг'. (10.7) РРН тН )У Вл чв (10.8) А А-Л ;ВА С кр 298 0,75 кр (10.9) ние и являются важными.
Иногда следует вводить новые характеристики или, наоборот, не учитывать какую-либо, если она не играет существенной роли. Например, при учете всех названных характеристик качества конструкции для ТНА двигателя, работающего по схеме с дожиганием, может бьжь целесообразна конструкция ТНА, выполненного по многороторной схеме с редуктором. Однако в составе ДУ могут быть различные условия работы ТНА: если учесть, что двигатель будет располагаться в баке с компонентом (утопленный ЖРД), для которого как осевые, так и радиальные габаритные размеры не играют существенной роли, то более приемлема конструкция ТНА, выполненного с консольным положением турбины по однороторной схеме.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
