Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей (1049215), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Конструкция современного ТНА немыслима без последовательгюго использования различных насосов, скомпонованных по многоступенчатой схеме, например, шнекоцентробежного насоса (см. Рис, 10.11), в котором роль бустеров осуществляют струйный насос (зжектор) и лопаточный осевой (шнек). Такие бустерные насосы принято называть преднасосами и конструктивно их компонуют в ТНА, Подкачнваюшие бустерные насосные агрегаты располагают в непосредственной близости от бака с компонентом (рис. 10.22), тем самым исключая гидравлические потери при подаче компонента от бака до входа в насос БНА. Гидравлическая турбина БНАЗ приводится в действие жидкостью высокого давления, отбираемой от насоса ТНА5. После с а- Р батывания на турбине мощность возвращается в напорную магистраль 222 бустерного насоса 2.
Угловая скорость ротора БНА, обеспечивающая бессрывную работу его насосов, определяется по минимально необходимому давлению в баке ЛА. При этом скорость вращения вала основного ТНА может быть выбрана максимально возможной, и уравнение для определения кавитационного коэффициента быстроходности системы подачи примет вид озТНА ~ . оз Скр.с л 0,15 кр БНА (10.15) где Р' — объемный расход насоса, м'/с; со— угловая скорость ротора ТНА, 1/с. Рис. 10.22.
БНА в системе питания ДУ: 1 — бак; 2 — насос БНА; 3 — гидравлическая турбина БНА; 4 — газовая турбина ТНА; 5 — насос ТНА Рис. 10.23. Схемы ТНА с разяон передачей крутящего момента иа вал бустераз а — через редуктор; б — гидравлической муфтой; е— отдельной ступенью газовой турбины; г — радиальной гидравлической турбиной; зэ — осевой гидравлической турбиной; 1 — насос БЙА; 2 — центробежный насос БНА; 3 — привод ТНА; 4 — привод БНА; 5 — шнек ТНА; б — гидравлическая муфта; 7 — направляющий аппарат 223 Перспективно применение конструкций многовальных (от двух и более) насосов с пониженной частотой вращения вала предвключенной ступени.
Привод ротора такой предвключенной ступени обеспечивав~си механической связью в виде зубчатой передачи (рис. 10.23, а), гидравлической муфтой (рис. 10 23, б) и турбинами (рис. 10 23, в, г, д) . Анализ конструкпиных схем насосных агрегатов с раздельным вращением лопасхььььх колес БНА и ротора основного ТНА показал, что высокое значение С„р с и = 5000...10 000 можно получить, выполнив ТНА по схемам, приведенным на рис. 10.23, б, д.
Причем наибольшие антикавитационные качества отмечаются только вблизи расчетного режима, т.е. в узком диапазоне подач. Причины этого заключаются в возникновении обратных токов при малых расходах и во взаимном влиянии параметров гидравлической турбины на антикавнтационные характеристики основного насоса.
Эти недостатки отсутствуют в насосе, выполненном по схеме, приведенной на рис. 10.23, г, Ск, „которого стабильна в широком диапазоне подач и достигает 10 000 единиц. Большие значения Ск кр.с.п обеспечивают насосы, выполненные по схеме с приводом первой ступени через зубчатую передачу (см. рис. 10.23, а) нли с независимым приводом обеих ступеней насосов (см. рис. 10.23, в) . В качестве насосов БНА используются струйные (эжекторы) и чаще лона~очные (осевые, центробежные и шнекоцентробежные). Лопаточные БНА применяются в ЖРД большого суммарного импульса тяги.
Привод ротора БНА может осуществляться от ТНА через зубчатую передачу (см. рис. 10.23, а), от отдельной ступени газовой турбины (см. рис. 10.23, в) или от гидравлической турбины (см. рис. 10.23, г) . Активная жидкость струйного бустерного насоса отбирается с выхода основного насоса из полосхей высокого давления (см. рис. 10.11), а также используются утечки компонента после шалевого уплопьення центробежного колеса, направляемые по магистрали перенуска на вход в основной насос через сопла инжектора.
В соплах происходит преобразование энергии давления жидкости в кинетическую энергию струи, которая в камере смешения передает свою энергию осьювному потоку. Струйные насосы из-за низкого КПД целесообразно применять в двигателях с дожиганием, так как увеличение мощности турбины при подаче активной жидкости высокого давления на эжектор практически не снижает энергетических характеристик ДУ На рис. 10,24, а приведена конструкция эжекхора с двенадцатью соьщами, расположенными по окружности камеры смешения под углом о = 18'. При соотношении расхода активной жидкости к эжектируемой до 25 % напор основного потока возрастает на 250 ... 280 Дж1кг.
КПД такого устройства на оптимальном режиме достигает не более 0,15. Малая напорная способность эжекхоров ТНА (обычно не более 300 Джькг) при КПД от 0,08 до 0,2 ограничивает нх применение как в современных БНА, так и в качестве предвключенной ступени ТНА. Рабочее колесо БНА выполняется в виде шнека постоянного шага нли увеличивающегося к выходу как с неизменным по длине наружным 224 Рпс.
10.24. Конструкцнн многосоппового эжектора и оспоппыв размеры сопла: а — в виде ряда отвсрсгна; а — с набором сопл; в — основные размеры сопла диаметром лопаток, так и с переменным. Широко применяются шнеки с возрастающим от входа диаметром конической втулки (см. рис. 10.16, г) . Такое увеличение диаметра втулки (вплоть до с1втз 0 85 2Ьщ ) устраняет обратные токи на выходе и повышает энергетические характеристики насоса, Лопатки шнека выполняются в вице винтовой поверхности переменного шага с углом изгиба профиля 8...10'. При существенном возрастании диаметра втулки шнекового колеса для увеличения его напорных свойств рекомендуется установка на конце дополньпельных (коротких) лопаток, В качесхве привода БНА применяется гидравлическая турбина, на которую жидкость высокого давления поступает от основного насоса (см. рис.
10.22), Использование на гидравлической турбине рабочего тела, перекачиваемого бустерным насосом, позволяет компоновать БНА в общем корпусе. Такой БНА имеет малые габаритные размеры и массу, прост по конструкции, и его установка возможна в баке ДУ. Наиболее простая конструкция гидравлической турбины БНА с каналами соплового аппарата, выполненными в вьще охдельных цилиндрических соьи и установленными под углом о = 15. 20* к плоскости вращения.
Для компактности рабочую решетку гидравлической турбины иногда выполняют заодно целое с колесом бустера, вынося лопатки турбины на возможно больший диаметр. Для снижения гидравлических потерь, связанных с закруткой жидкости, на выходе из турбины прн смешении с основным потоком, по тракту БНА устанавливают направляющие лопатки для изменения направления потока и преобразования части кинетической энергии в энергию давления. Бустерный насосный агрегат ЖРД 88МЕ, представленный на рис.
10.25, обеспечивает увеличение давления прн подаче жидкого водорода в основной ТНА. Он выполнен в виде единого блока и сосхоит иэ двухступенчатой гидравлической турбины и осевого (пшекового) колеса, Рабочее тело турбины — водород высокого давления — отбирается с выхода насоса ТНА и подается из коллектора 6 через сопловой аппарат 7 на рабочую решетку турбины. Крутящий момент от диска турбины передается на вал через шлиа — 1758 225 227 Рнс. 10.25. БНА горючего (нодорода) ЖРД ббмгк 1 — корпус насоса; 2 — осевое колесо; 3 — подшипники; 4 — направляющий аппарат; 5 — отводящий патрубок; 6 — коллектор подвода рабочего тела турбины; 7 — сояловой аппарат турбины; 8 — направляющий аппарат турбины; 9 — диск турбины цевое соединение. Ротор БНА установлен на двух шариковых подшипниках 3, один из которых воспринимает осевую нагрузку.
Подшипники работают в среде жидкого водорода, который подводится к ним в виде дозированного расхода протечек рабочего тела по внутреннему диаметру осевого колеса, а также через колиброванное отверстие из отводящего патрубка 5 с последующим отводом компонента на вход в насос через отверстие в ступице осевого колеса 2. Угловая скорость гидравлической турбины ограничена антикавитационными свойствами бустерного насоса и поэтому невелика.
В условиях большого перепада давлений на сопловом аппарате скорость жидкости с, на входе в рабочую решетку турбины высокая, поэтому турбины БНА работают при малом отгюшении и/сг, имея низкий КПД. Для повышения КПД ее выполняют многоступенчатой, а венец рабочей решетки располагают на большем диаметре (см. рис. 1025). Однако, при малом расходе рабочего тела высокого давления (8...15 % расхода основного насоса) число сопел соплового аппарата получается не более двух и степень парциапьности турбины мала.
В итоге гидравлические турбины БНА часто 226 парциальны с коэффициентом быстроходности и, < 15. При изменении степени парциальности е от 0,02 до 0,5 КПД гидравлической турбины для оптимального отношения скоростей и/с, изменяется от 0,2 до 0,4. 10.7.КОНСТРУКЦИИ УПЛОТНЕНИЙ ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ Работоспособность, ресурс, надежность и экономичность ТНА в существенной степени зависят от совершенства уплотнительных устройств полостей с рабочими средами различных физико-химических свойств. Уплотнения в ТНА выполняют разнообразные функции: герметизвруют газовые полости турбины от насосов, разделяют полости насосов, предо~вращая утечки компонентов или барботаж газа в проточную часть насоса, уплотняют полости пощпипников, повышают расходный КПД и общий энергетический баланс ТНА.
На валу ТНА размещается, как правило, несколько насосов, обеспе. чивающих подачу с разными параметрами высокоагрессивных и токсичных рабочих тел, которые при соединении могут вступать в химическую реакцию. Физико-химические свойства рабочих тел, подаваемых насосами ТНА,и в тракте газовой турбины сильно различаются. Например, в кислородно-водородном ЖРД горючее имеет температуры 20 К, а температура рабочего тела турбины для привода этого насоса более 1000 К. Согласно статистике около 60 % выхода из строя узлов современных ЖРД связано с нарушением работы только уплотнительных систем. Неотработанность уплотнений проявляется при первых же испытаниях ТНА в составе двигателя, приводя к пожарам и аварийным последе~виям, Уплотнения неподвижных соединений герметизируют различные полости при широком диапазоне изменения температуры и давления уплотняемой среды, что определяет выбор их материалов.
Как правило, эластичные уплотнения, помещенные в канавках и сжатые усилием в стыке, обеспечивают требуемую герметичность, но ресурс их работы ограничивается сроком хранения и стойкостью в рабочей среде, поэтому в ТНА наиболее целесообразно применять неразъемные сварные соединения. При обработке ТНА основная проблема заключается в надежной герметизации подвижных соединений, а также вращающихся относительно друг друга поверхностей. Разнообразие конкретных условий работы уплотнений подвижных соединений в ТНА обусловливают создание различных конструкций уплотнительных узлов, которые предварительно отрабатываются при автономных испьпаниях на имитаторах. В классификации уплотнений подвижных соединений ТНА (рис.
10.26) общепринято деление по принципу действия на три собирательных класса: контактные — осуществляют герметизацию гшотным прилеганием уплотняющих деталей к соответствующим сопряженным поверхностям соединения; бесконтвктные — рабо~ают без непосредственного контакта между Упповненин паддижнык соединений ТНР Йесконвоквные Ран донирода нные Ианваквные р д а о Г, 1, радиоппна Гвавочес — Годрадоно- Гидрасвапв вараедые ниЕ мическое чес кое .Роди— ивяные р(гнедые дседые ные ь, ь ь простота технологии изготовления и сборки уплотнения при возможности контроля его работоспособности после сборки ТНА. В практике проектирования уплотнений валов ТНА часто встречается ситуация, когда ни одно из уплотнений не удовлетворяет заданному комплексу требований, Тогда выделяется главное из них, чаще герметичность, и узел выполняется с некоторым нарушением всех остальных требований либо существенно усложняется его конструкция.
В связи с этим появляются дополнительные конструктивные элементы, дренажи, перепуски, охлаждающие системы, добавочные (страхующие) уплотнения и тл. В результате уплотнение приобретает значение одного из важнейших элементов конструкции ТНА, и проблема герметизации становится фактором, определяющим его компоновку. С этим связаны также постоянные поиски новых материалов, способов герметизации и конструктивных решений. Упругий апвченв ь ч ьь ьв ь ччь й ь ь ч в мв ф й чь Ю ь ь чч ь М й чь ч ь ь ь ъ ь ь ф ць ь Рнс. 10.26.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
