Введение

Курсовой проект состоит из 4-х графических листов и пояснительной записки. Расчетная часть проекта содержит следующие части:

I. Расчеты насосов

1. Расчет подводящего устройства.

2. Определение максимальной частоты вращения ротора.

3. Расчет геометрических размеров шнека.

4. Расчет геометрических размеров центробежного колеса.

5. Расчет отводящего устройства насоса.

6. Расчет потерь в проточной части и определение К.П.Д.

7. Расчет энергетических характеристик насоса.

8. Расчет напорной, характеристики шнека.

9. Расчет кавитационной характеристики насоса.

II. Расчет турбины

1. Выбор типа турбины и схемы ДУ.

2. Расчет потерь и геометрии проточной части.

3. Выбор профилей сопловой и рабочей решетки.

4. Определение КПД на расчетном режиме.

III. Расчет элементов ТНА.

1. Расчет вала на крутящий момент.

2. Расчет на критическую частоту вращения вала.

Графическая часть проекта выполнена в редакторе AutoCad и содержит:

ЛИСТ 1. Результаты проектирования насоса окислителя

1. Профилирование меридионального сечения шнекоцентробежного колеса.

2. Развертка шнека с изображением треугольников скоростей на входе и выходе.

З. Построение треугольников скоростей на входе и на выходе для центробежного колеса.

4. Профилирование лопаток центробежного колеса в плане (с показом вспомогательных линий), закон изменения скорости в проточной части насоса, проверка сечения по длине проточной части.

5. Проектирование отводящего устройства – спирального сборника, безлопаточного и конического диффузоров.

6. Построение характеристик.

ЛИСТ № 2 Результаты проектирования турбины.

1. Профилирование проточной части турбины.

2. Построение треугольников скоростей.

3. Изображение процесса в турбине в тепловых диаграммах.

4. Построение диаграммы баланса энергии турбины.

5. Изображение принципиальной схемы двигательной установки.

ЛИСТ № 3 - Общий вид ТНА

Чертеж общего вида ТНА с техническим описанием и спецификацией, приводимыми в расчетно-пояснительной записке.

Чертеж общего вида – документ, определяющий конструкцию изделия, взаимодействие его основных составных частей и поясняющий принцип работы изделия.

ЛИСТ № 4 - Результаты расчета вала и конструкция уплотнений ТНА

1. Результаты расчета вала на крутящий момент (эпюра).

2. Конструкция уплотнений ТНА в масштабе 5:1 с указанием номеров позиций.

1. Техническое задание.

Спроектировать турбонасосный агрегат для двигателя со следующими параметрами:

Тяга двигателя P = 90 кН

Удельный импульс I_у = 3250 м/с

Давление в камере сгорания p_к = 10 МПа

Окислитель – кислород (О₂)

Горючее – керосин (Т-1)

Соотношение компонентов в камере сгорания Km

Соотношение компонентов в газогенераторе Km_гг = 50

Давление на входе в насос окислителя p_1о = 0,4 МПа

Давление на входе в насос горючего p_1г = 0,3 МПа

Частота вращения ω = 2770 рад/с

Схема ДУ – с дожиганием генераторного газа

Название ДУ – 11Д58М.

2.Описание конструкции ТНА.

Настоящий ТНА разработан для одноразового разгонного двигателя изделия, стартующего с промежуточной орбиты в космическом пространстве. Двигатель работает с дожиганием генераторного газа в камере. Компоненты топлива - керосин

Т-1 и жидкий кислород.

ТНА предназначен для подачи компонентов топлива в КС и ГГ, включает в себя насос горючего, насос окислителя и газовую турбину. Насос «Г» и «О» – однотипные, шнекоцентробежные, одноступенчатые с односторонним подводом компонентов. Насос «Г» имеет осевой подвод компонента, насос «О» - боковой. Между корпусами насосов в качестве термомоста установлено кольцо из текстолита (17).

Насос окислителя. Состоит из входного патрубка в отливке со сборником спиральным (10), корпуса (6). Внутри корпуса помещён ротор, включающий шнек (13), крыльчатку (9) и вал (1).

Через входной патрубок (10) насоса компонент поступает на винтовые лопатки шнека, затем на рабочие лопатки крыльчатки и через диффузор отводится из насоса.

Давление компонента за шнеком повышается до величины, обеспечивающей бескавитационную работу центробежной крыльчатки. Поток жидкости в крыльчатке изменяет своё направление с осевого на радиальное. Лопатки сообщают ему механическую энергию, при этом скорость потока и его давление возрастают.

Из крыльчатки компонент поступает в кольцевой улиткообразный сборник и далее отводится по коническому диффузору. В сборнике и диффузоре происходит дополнительное приращение давления за счет преобразования части кинетической энергии движущегося потока.

Насос окислителя имеет кольцевой подвод. Входной патрубок и улитка выполнены в одной отливке из АЛ-34. Шнек однозаходный, постоянного шага, стальной /08Х15Н24В4Т-Ш/. Колесо насоса имеет 9 лопаток и по конструктивному оформлению аналогично колесу насоса горючего.

Особенности уплотнения с анодированной втулкой в среде жидкого кислорода заключается в следующем. Как известно, для криогенных жидкостей отпадает вариант с запрессовкой на алюминиевое колесо стальной втулки, поскольку в процессе охлаждения конструкции за счет разных коэффициентов расширения алюминия и стали натяг в стыке втулка - колесо исчезнет и уплотнение будет неработоспособным.

В настоящее время могут быть применены два способа упрочнения (повышения твердости) уплотняющих поясков алюминиевых колёс: хромирование и глубокое аннодирование.

Хромирование алюминия - сложный процесс, и нет надежных способов контроля качества сцепления хрома с алюминием. В процессе работы, когда имеет место трение кольца по хрому, за счет местного повышения температуры возможно отслаивание покрытия.

При глубоком анодировании уплотнительных поясков прочность сцепления окисленного слоя с основным металлом гарантирована, пленка достаточно прочна и не боится местных перегревов. Окисленный алюминий менее склонен к возгоранию в кислороде, чем хром.

Колесо насоса используется в качестве разгрузочного элемента от осевой силы, действующей со стороны турбины, для чего диаметр переднего уплотнения насоса выполнен на несколько миллиметров меньше диаметра заднего уплотнения.

Для исключения перетекания газообразного кислорода из полости турбины на вход в насос между турбиной и насосом (в корпусе подшипника) создана разделительная полость (гидравлический затвор), в которой за счет установки уплотнений со стороны насоса (бронзовое кольцо на ступице колеса насоса) и фторопластового уплотнения со стороны турбины поддерживается давление жидкого кислорода выше, чем давление в турбине. Подвод жидкого кислорода к разделительной полости осуществляется по трем каналам с отбором на уровни Д₂ колеса. Для использования скоростного напора (5...6 атм.) заборные пазы выполняются по винтовой линии с углом 30 градусов.

За счет гидравлической связи насоса и турбины гарантированно обеспечивается разделение полостей.

Ротор вращается в двух подшипниках. Подшипник со стороны насоса горючего по конструкции аналогичен подшипникам насоса окислителя. Он охлаждается жидким кислородом, подаваемым через специальное отверстие в корпусе насоса.

Основной радиально-упорный подшипник, расположенный в разделительной полости, выполнен с разъемным внутренним кольцом, благодаря чему угол контакта шариков с дорожкой увеличен с 12 до 26 градусов. С увеличением угла контакта существенно увеличивается величина допустимой осевой нагрузки, действующей на подшипник.

Сепаратор выполнен из материала ФН-202 (фторопласт - 4, наполненный примерно тремя процентами дисульфида молибдена МоS₂ и примерно 10% порошкового никеля).

Особенность охлаждения всех подшипников состоит в том, что часть охлаждаемой жидкости пропускается по 10 каналам /пазам/ в вале под внутренним, наиболее напряженным кольцом. Помимо улучшения условий охлаждения уменьшается перепад давления, действующий на сепаратор.

Фторопластовое уплотнение разделительной полости со стороны турбины представляет собой фторопластовое кольцо (типа "ласточкина хвоста"), опирающееся на стальные буртики корпуса и опорного кольца. При сборке зазор между кольцом и буртиками составляет 0...0,15 мм по валу 0,1...0,2 мм. При охлаждении кольцо плотно садится на буртики, исключая перетечки компонента вокруг кольца. Одновременно уменьшается зазор по валу. Для исключения проворота кольца в корпусе, что приводит к перегреву кольца за счет трения, а также к возгонке фторопласта, кольцо фиксируется в корпусе специальным выступом-фиксатором. Независимо от продолжительности работу износ кольца составляет 0,02...0,04 мм, при этом уточки в турбину составляют 200...250 г/с.

Уплотнение по валу со стороны насоса горючего представляет собой плавающие пирографитовые кольца из материала ПГИ.

После двух колец утечки кислорода выводятся в дренаж, после следующих двух организован дополнительный (промежуточный) дренаж (дренажное отверстие в корпусе насоса горючего). Поверхность вала под плавающими кольцами хромируется.

Насос горючего. Корпуса насоса выполнены литьём в кокиль из алюминиевого сплава АЛ-34, обладающего высокой плотностью (герметичностью). Стык корпусов уплотняется кольцом из текстолита (17).

Насос имеет осевой вход. Ротор насоса вращается в двух шарикоподшипниках, выполненных из стали 9Х18. Сепараторы подшипников выполнены из фторопласта - 4, имеющего малый вес (по сравнению с бронзой) и низкий коэффициент трения, благодаря чему существенно уменьшается износ сепаратора и значительно увеличивается работоспособность подшипника. Отбор компонента на охлаждение подшипника производится из зоны высшего давления (перед улиткой) и через жиклер, обеспечивающий подачу 50...60 г/с, по специальному отверстию подается к заднему подшипнику компонент. Пройдя через оба подшипника, охлаждающая жидкость попадает на вход в колесо насоса.

Колесо насоса (8) паяное из алюминия АВ. В колесе 10 лопаток. Лопатки оформляются на заднем диске методом скоростной штамповки. Входные кромки лопаток выполняются толщиной 0,6...1 мм с плавным (на длине 12...15 мм) переходом к основному сечению лопатки, что позволяет (при перерасширенном входе) иметь высокие антикавитационные свойства основного насоса, что весьма важно при работе на компоненте, насыщенном газом. Передний диск также выполнен из АВ и припаян к лопаткам силумином СИЛ-0.

Алюминиевый сплав АВ характеризуется тем, что при глубоком анодировании образует прочную пленку толщиной более 100 мкм (HRe>35). Это свойство АВ используется при выборе конструкции уплотнения (трущейся пары).

Уплотняющие пояски колеса подвергаются глубокому анодированию.

Шнек однозаходный с постоянным шагом, выполнен из алюминия Д16. Уплотнение вала осуществляется импеллером и резиновыми манжетами. Импеллер служит для снижения давления, действующего на манжеты. На основном режиме давление перед манжетами не превышает 1...1,2 атм. (при давлении в полости до 15 атм). После первых двух манжет образована дренажная полость, из которой утечки удаляются за борт.

Турбина. Привод насосов осуществляется турбиной. Турбина радиально-осевая, центростремительная, реактивная, одноступенчатая. Статор её включает газоподводящее устройство (коллектор), сопловой аппарат (2) и корпус (7). Внутри корпуса помещен ротор, состоящий из рабочего колеса и вала.

Газ из ГГ через входной патрубок и газоподводящий коллектор поступает к сопловому аппарату и равномерно распределяется по сопловым каналам, где он ускоряется и направляется на рабочие лопатки турбины под оптимальным углом, обеспечивая максимально эффективную работу турбины.

Попадая в каналы, между рабочими лопатками турбины газ продолжает расширяться и скорость его увеличивается. В лопаточных каналах происходит поворот и ускорение газового потока, в результате чего возникает крутящий момент, необходимого для вращения роторов насосов.

Корпус выполнен из никелевого сплава (ХН57МТВЮ). Выполняется литьем в вакууме по выплавляемым моделям. В отличие от других жаропрочных сплавов - это свариваемый сплав, что позволяет избежать фланцевых стыков на горячих газоводах и исправлять дефекты литья подваркой. Сопловые лопатки являются силовым элементом корпуса, благодаря чему деформация корпуса ничтожна. В связи с использованием лопаток в качестве силового элемента профиль выполнен усиленным. Так, толщина выходной кромки составляет 2,5 мм.

Диск выполнен из заодно с валом. Лопатки фрезеруются по радиусу, а затем в гибочном штампе выходные кромки лопаток загибаются под заданным углом.

На поверхность проточной части турбины (в корпусе и на диск) наносится теплозащитная эмаль Э3-1, смягчающая вредное воздействие на материалы термических ударов, возникающих в процессе запуска, когда на охлажденные детали попадает газ с высокой температурой.

Уплотнение между корпусом турбины и подшипником, через который он соединяется с корпусом насоса, осуществляется медным кольцом из М-1, а между подшипником и корпусом насоса - прокладкой из круглой алюминиевой проволоки, подвергнутой освинцевыванию.

Основные технические данные турбины (11Д58М):

Мощность, кВт 706,6

Частота вращения ротора, рад/с 2774

Давление на выходе из турбины, МПа 9,2