Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей (1049253), страница 66
Текст из файла (страница 66)
рис, 2.36), Поэтому при равной радиальной протяженности поверхностей сечений б,— в и г — г, и разных утечках осевые силы, действующие иа эти поверхности, будут различными. Имея в виду соотношения (5.8) и (5.9), можно преобразовать выражение (5.!О) соответственно для случаев соединения разгрузочной полости А насоса (см. рис. 2.36) с входом в колесо: ) Рх(рг П ()т !+ )Суэ )тут) Р! +Ггй ()Су!+ !туг )Суэ 0З !!4) ?тст. ш Рх — п()туз гсуз) ор + г! гг и входом в насос: ~ Рг!Рг = и)ту!Р! и (1'уз тгуз) Рв х + гсР ()ту ! — Вн?4) 7?ст.
ш х и ()ху! ~хуэ) ~ртруб+ 1 ~2. (5.13) С помощью соотношений (2.63), (5.10), ..., (5,13) рассчитывается осевая сила. действующая на шнеющентробежное колесо насоса. 5.5.1.2. Турбина Остановимся на приближенном определении осевой силы в турбиие (см. рис, 2,36). Для подсчета осевой силы по формуле (2.63) надо знать распределение давления по сечениям а — а,; б — б, и а,— б,. В сечении а — а, действует давление на выходе из соплового аппарата р„в сечении б — б, — давление на выходе из турбины Р,, а в сечении а,— б, — среднее давление между Р, и Р,. Тогда в сечении а — а, возникает осевая сила, равная Р,!...)Р„, в сечении б — б, — осевая сила Е !об,)р„в сечении а,— б, — Р,1,, б,! (р, +Рэ)/2.
Формула (2,63) для осевой силы на колесе турбины принимает вид ттг = ГП (Вгх Вэг) + 4 1(Кр+ й!л) С(в) Р! 4 (г)ср+ йэл) Рз+ + 4 Н(3ср+йя.)' — ()~.р+й!.)Ч "+,, '. (6.)4) 5.5.1.3. Импеллерное уплотнение В конструкции ТНА часто используют импеллерные уплотнения вала (см. рис, 3.24). В связи с тем, что диск импеллерного уплотнения — импеллер удерживает определенный перепад давлений, на нем возникает осевая сила.
Определим эту силу. Так как через импеллерное уплотнение почти не протекает жидкость, то выражение для осевой силы (2,63) имеет вид г,= ') РДР,= ~ РДР,— ~ РНР,. И и (б — б) и (а — а) (5.15) Направление осевой силы со стороны гладкого диска импеллера принято за положительное. В осевом зазоре со стороны диска с лопатками (см.
рис, 3,24) жидкость движется с угловой скоростью ыж = гры, где ы — угловая скорость импеллера (см. равд. 3.1.2.!). Распределение давления в пространстве, занятом жидкостью, найдем интегрированием выражения (3.61): (5.16) С помощью выражения (5.16) найдем осевую силу, действующую на диск с лопатками. Имея в виду, что на поверхность, ограниченную радиусами г, и гж (см. рис, 3.24), воздействует давление Ршмп, получим гв имп Р г!Р ~ Рйпгс(г и (гз и гдв) Р! имп + ир (гз имп гвс) и в (а — а'! (5,17) При малом зазоре жидкость со стороны гладкого диска (в связи с отсутствием расходного течения) движется с угловой скоростью, равной половине угловой скорости импеллера ы.
Поэтому изменение давления по радиусу находится иктегрированием соотношения (3.61): Р = Р— Рыз (г — гэ)с!8. (5.18) 313 11 Овсянников Б. В, и др. В Реактивной тУРбине Р, > Рм поэтомУ на колссе возникает значительная осевая сила, действующая по направлению потока газа. В активной турбине давления р, и р, почти одинаковы и осевая спча практически близка к нулю. Последнее обстоятельство часто является решающим для выбора активной турбины в качестве пред- камерной турбины ЖРД, так как в реактивных предкамерных турбинах осевые силы могут быть велики и достигать сотен кило- ньютонов. Для уменьшения осевой силы в диске реактивной осевой турбины можно сделать несколько разгрузочных отверстий, изображенных на рис. 2.36 пунктиром.
При наличии отверстий давления по обе стороны диска выравниваются и осевая сила на колесе уменьшается, Для уменьшения утечек газа через отверстия осевой зазор между передней поверхностью диска и корпусом должен уплотняться, Применение разгрузочных отверстий нежелательно, так как они, ! концентрируя напряжения, понижают прочность диска турбины.
С помощью выражения (5.18) можно определить силу, действук1щую в сечении б — б' (см. рис. 3.24): з имп р~пгб = и (га имп — гв) рз имп — пры' (Яз нип — г'.)'/15. Лг (б — б') гв (5. 19) Подставляя формулы (5.17) и (5.19) в (5.15), получим выражение для осевой силы, действующей на импеллер, ЯРФ ы (ганна- гж) 74. (5.20) Радиус поверхности г.,в определяется по перепаду давлений на импеллерном уплотнении рзнм„ вЂ” рз„мя с помощью формулы (3.72). При максимальном перепаде давлений (рз„мп — рмннч)м,„ осевой зазор со стороны диска с лопатками будет ааполнен жидкостью (гн,:.- гшм„).
Пренебрегая различием между радиусами гшмп и гв, находим формулу для осевой силы при заполненном жидкостью импеллере. Подставив в выражение (5.20) соотношение (3.73), получим (5.21) Осевое усилие на импеллере может достигать больших значений, которыми нельзя пренебрегать при расчете осевой силы ТНА. 5.5.1.4. Разгрузка ротора ТНА В ТНА осевое усилие, действующее на упорный подшипник, находится векторным сложением осевых сил, приложенных к одному валу насоса, турбины и импеллеров уплотнений. Для разгрузки подшипника от осевой силы подбирают определенным образом радиус расположения заднего уплотнения центробежного колеса насоса.
Такая разгрузка подшипника возможна только на одном режиме работы ТНА. Как правило, этот режим расчетный. Для того 'чтобы осуществить разгрузку на других режимах ТНА, предусматривается автоматическое гидравлическое разгрузочное устройство (автомат разгрузки). Принцип действия такого устройства можно пояснить следующим образом, Элемент 1, соединенный с валом, в частном случае диск (см рис. 5.18), разделяет малым зазором В полости В, и Ва Полость В, соединяется с полостью высокого давления насоса; полость В, имеет достаточно большои объем и соединена с полостью низкого давления. Пусть на валу возникло осевое усилие, напра~а, вленное справа налево. Вал перемещается под действием этого усилия. Зазор В уменьшается, потери при перетекании жидкости через зазор возрастают, расход Рис.
5.!8. Схема автоматического гидравличе- ского разгрузошого устройства 3!4 через зазор падает и тогда давление р, возрастает, а ро уменьшается. На диске увеличивается сила, действующая слева направо, компенсирующая возникшую на валу силу, направленную справа налево. Если возникает осевая сила, действующая слева направо, то зазор 5 увеличивается, давление р, уменьшается, а р, возрастает и осевая сила уменьшается, Перемещение вала и изменение зазора 5 происходит до тех пор, пока изменение давлений не приведет к полной компенсации, возникшей на валу осевой силы. Недостаток использования разгрузочного устройства заключается в уменьшении расходного КПД насоса, связанном с дополнительными утечками жидкости высокого давления в полость низкого давления.
Разгрузочный диск потребляет мощность из-за трения о жидкость. Для исключения этого недостатка часто совмещают поверхность диска, образующего полость высокого давления В„с внешней поверхностью заднего диска центробежного колеса насоса. В этом случае вблизи вала образуют саморегулирующийся зазор Я между диском колеса и корпусом, после которого жидкость поступает в полость низкого давления, аналопшную полости В, 5.5.2.
Радиальные силы З.ЗЛП1. Насос На колесо действует два вида радиальных сил; гидро- динамическая сила от неравномерности параметров потока по окружности выхода из колеса, вызываемой течением в отводе, и подъемная сила в щелевых уплотнениях колеса, аналогичная силе в подшипниках скольжения (в плавающих уплотнениях отсутствует). Подъемная сила вызывается гидродинамической радиальной силой, так как под ее действием возникает прогиб вала, приводящий к эксцентриситету между осью вращения колеса и осью щелевого уплотнения. Если колесо разгружено от гидродинамической радиальной силы, то подъемная сила не возникает.
Рассмотрим гидродииамическую радиальную силу и способы ее уменьшения, в том числе до нуля. В насосе с одновитковым спиральным отводом (см. рис, 3.10) давление и скорость по окружности выхода из центробежного колеса равномерны только вблизи расчетного режима !рис, 5.!9, 5.20). Для расходов, меньших расчетного, сечения спирального отвода оказываются перерасширеииыми (см. равд.
3.1.4.2). Поэтому поток в отводе тормозится п давление по длине спирального сборника возрастает, При этом нарушается радиальная симметрия потока— со стороны выходной части сборника на колесо действует повышенное давление. Это приводит к возникновению на колесе радиальной силы, направленной со стороны выходных сечений сборника.
Для расходов, превышающих расчетный расход, сечения отвода становятся зауженными, Давление по длине сборника падает, и появляется радиальная сила, направленная со стороны начальной части сборника. 1!» 315 (зз дзы-.та з)Вии) сии /лт рд -й! йз тУО ЛЮ Н йииири а тор 7ро -$7 д Рнс. 6.19.
График распределения давления по окружности выхода из колеса (но начальной окружности сборника) Рис. 6.20. Графики изменения окруж- ной составляющей скорости потока по окружности выхода из колеса Давления и скорости потока на начальной окружности сборника ()тз = га) можно рассчитать, используя соотношения разд. 3.1.1.5 (здесь и далее индекс и3» относится к параметрам на выходе колеса). Полагая в формулах (3.21) и (3.23) г = г, = тт„получим Сзи(Сзи — — 1 — 0,505 (1 — Сир(Сан); (5.22) = —.. (0,25+ 0,75 — "" ) 1п — '. рсзи (5.23) Выражение для радиальной скорости с найдем из уравнения неразрывности сзтЬзгз с(ер = д (синр) Откуда л (с рр) с„=— ,~~р Решая последнее уравнение с помощью соотношения (3 24), получим с ейт '(1,94(1+в) " " (р ) +0,051 и .
(5.24) Здесь индекс 2п относится к параметрам, соответствующим ф =- 2п. Из формулы (5.24) следует, что радиальная скорость потока зависит от градиента нарастания площади сборника. Так как обычно изменение площади носит сложный характер, зависимость (5.24) не сводится к квадратурам. Скорость потока с„„ зависит от площади сечения сборника Р, см, формулу (3.24), а площадь с, в свою очередь, связана с центральным углом сборника р (см. рис, 3.10, в).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
