Дп. ТНА_Лекция 1. Конструирование турбонасосных агрегатов жрд 1 Лекция 1
 Скачать 0.57 Mb.
|
|
Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 1 Лекция 1. Общте сведения о ТНА. Требования к ТНА. Основные понятия и определения. Лопаточная машина. Требования к лопаточной машине. Компоновочная схема. Классификация компоновочных схем ТНА. Элементы компоновочной схемы. ТНА – это агрегат подающий компоненты топлива с заданными параметрами (расход m или V и выходное давление Pвых). ТНА включает в себя насосы (один или более) и привод насосов, чаще всего – газовую турбину. В ЖРД существует две системы подачи топлива, которые определяют конструкцию и параметры двигателя - Вытеснительная система (Рк = 2...2,5 Мпа) Рб = Рк + ΔРф + ΔРм; - Насосная система (Рк = 20...25 Мпа). Одним из основных параметров двигателя является давление в камере сгорания. Применение насосной системы позволяет не только увеличить давление в камере сгорания но и уменьшить массу двигателя, за счет уменьшения габаритов камеры сгорания и давления в баках и магистралях до ТНА. Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 2 При использовании насосной системы ΔРвых определяется параметрами работы ТНА. (ΔРвых можно увеличить, увеличивая выходной диаметр насоса или, увеличивая частоту вращения ротора ТНА. При увеличении наружного диаметра повышается масса и уменьшается прочность крыльчатки насоса, при прочих равных условиях. Поэтому лучше увеличивать частоту вращения ротора ТНА. Но здесь существует ряд ограничений кавитационный запас, вырождение центробежного колеса в диагональное, сохранение приемлемого кпд насоса, быстроходность подшипников (2,2*10 6 об/мин*мм)). ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТНА Подача компонентов топлива в камеру двигателя, осуществляется насосами — устройствами, преобразующими механическую энергию привода в потенциальную энергию давления жидкости. В ЖРД для привода насосов чаще всего применяют газовые или жидкостные турбины. Насосы и турбины компонуют в единый турбонасосный агрегат. Турбонасосные агрегаты классифицируют по назначению, конструктивной схеме и типам входящих в них агрегатов. По назначению ТНА делят на Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 3 - основные, создающие давление подачи компонентов в камеру - вспомогательные, повышающие давление жидкости на входе в основные насосы для обеспечения их бескавитационнои работы. Силовая система ТНА состоит из - силовой системы ротора - силовой системы корпуса. Они соединенных между собой с помощью подшипников. В силовую систему ротора входят все вращающиеся вместе с валом детали. Силовая система корпуса состоит из - корпуса турбины (с выходным устройством, сопловым аппаратом, коллекторами подвода и отвода газа - корпусовнасоса окислителя и горючего - узлов крепления ТНА к раме двигателя - крепежных деталей. Кроме того, в ТНА имеются различные уплотнения. Насосную подачу топлива в камеру ЖРД предложил еще и 1927 году К. Э. Циолковский. В 1932 году ФА. Цандер, составил схему ЖРД, в которой в качестве привода насосов предполагал использовать турбину, работающую на газе, отводимом из основной камеры сгорания. В 1940 году в КБ, возглавляемом В. П. Глушко, был разработан проект ЖРД — самолетного ускорителя на HNO 3 и керосине, шестеренчатые насосы которого приводились во вращение отвала основного поршневого двигателя через гидромуфту. В 1942—1946 гг. ускоритель РД-1 и его модификации проходили стендовые и летные испытания. В эти же годы в КБ Л. С. Душкина были созданы и испытаны основные самолетные ЖРД (РД-2М и др) на HNO 3 и керосине, турбина ТНА которых питалась продуктами разложения перекиси водорода в ЖГГ с твердым катализатором и приводила во вращение через редуктор центробежные насосы основных компонентов и Н 2 О 2 Насосы первых ТНА имели центробежные колеса открытого или полузакрытого типа с односторонним входом (давление подачи в насос 2...4 МПа, частота вращения колес 400...500 рад/с). Для их привода применялись одно- и двухступенчатые активные турбины с парциальным подводом газа, имевшие Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 4 небольшую мощность и невысокий КПД. Иногда между турбиной и насосами устанавливался редуктор. Повышение у ЖРД потребовало увеличения давления в камере и, следовательно, повышения давления подачи насосов. Для увеличения расхода окислителя центробежное колесо начали изготавливать с двухсторонним входом. Применение специальных жидкостей для генерация газа, используемого в турбине и для наддува баков, привело к установке нанекоторых ТНА еще одного или двух дополнительных насосов, соединенных с валом основного насоса через мультипликатор, атакже испарителя (ТНА двигателя РД-107). Перевод турбины и системы наддува баков на питаниегазом, получаемым при газификации основных компонентов топлива, позволял вернуться к двухнасосной схеме ТНА. Обеспечение же оптимальных условий работы турбины и насосов потребовало использования редукторных схем ТНА или же отдельных ТНА для каждого компонента. Питание турбины газом, имеющим большой расход или малую плотность (Н или восстановительный газ с большим избытком Н, позволило обеспечить егоподвод по всей окружности лопаточного венца колеса турбины, а это устранило радиальную силу, возникающую навале турбины при парциальном подводе. Были приняты меры для снижения радиальной силы и от колес насосов, а также для разгрузки радиально-упорных подшипников от действия значительных осевых сил. Для снижения давления наддува баков навыходе из них стали устанавливать бустерные насосы, приводимые во вращение турбиной, питаемой газом от основного или вспомогательного ЖГГ. Значительные изменения параметров ТНА и их конструкции произошли при появлении ЖРД с дожиганием. Повышение деления подачи до 40…50 МПа потребовало значительного увеличения частоты вращения роторанасоса и применения для подачи кислорода двухступенчатого, а для подачи водорода — трехступенчатого насосов. С цельюулучшения антикавитационных свойств центробежных насосов перед их входом стали устанавливать встроенные или вынесенные преднасосы. При значительном расходе генераторного газа, малой величине степени его расширения в турбине и большой частоте вращения ее ротора стало целесообразно использование одно- и двухступенчатых реактивных осевых турбин, имеющих в этом случае по сравнению с активными турбинами более высокий КПД. Подвод газа к рабочим лопаткам колеса турбины повсей его окружности позволил установить ЖГГ непосредственно на входной части корпуса турбины, что обеспечивает компактность конструкции и снижение тепловых потерь. Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 5 Усложнение условии работы подшипников и уплотнений вращающихся деталей привело к необходимости разработки новых, более эффективных типов этих элементов например, гидростатических подшипников и торцовых гидростатических уплотнений. Для снижения удельной массы ТНА при изготовлении деталей стали все шире применять материалы с высокой удельной прочностью(высоколегированные стали, титановые сплавы, а также более совершенную технологию изготовления. Так, например, лопатки сопловых аппаратов и рабочих колес турбины изготавливают из жаростойких материалов литьем по выплавляемым моделям, причем с целью повышения прочности пустотелых рабочих лопаток применяется направленная кристаллизация сплава. Характер изменения основных параметров ТНА в процессе их развития Как отмечалось раньше, основными элементами ТНА являются насосы и турбина. Центробежный, диагональный или осевой насосы, осевая или центростремительная турбины – все эти агрегаты по принципу действия являются лопаточными машинами. В технике под терминами лопаточная машина, лопастная машина или «турбомашина» понимают машину в которой происходит изменение энергии потока жидкости или газа в процессе обтекания лопаток вращающегося рабочего колеса. Вращающаяся лопаточная решетка является рабочим органом машины, откуда и происходит название лопаточная машина. Лопаточная машина, как правило, состоит из вращающихся рабочих колеси неподвижных подводящих и отводящих устройств, выполненных в виде сопл, спрямляющих аппаратов, корпусов, сборных камер и т. д. Наличие рабочего колеса обязательно для всякой лопаточной машины, а подводящие и отводящие устройства могут отсутствовать, например винти ветряной двигатель их не имеют. Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 6 Характерным признаком для разделения по схеме устройства является направление течения рабочего тела относительно оси вращения. В соответствии с этим лопаточные машины делятся на 1. радиальные, в которых линии тока жидкости в рабочем колесе образуют поверхности тока, близкие к плоскостям, перпендикулярным оси вращения 2. осевые, в которых линии тока жидкости образуют поверхности тока, близкие к соосным круговым цилиндрическим поверхностям, образующая которых параллельна оси 3. диагональные, в которых линии тока жидкости образуют поверхности вращения с образующей, наклоненной коси под произвольным углом. (рисунки) Применяются лопаточные машины, в которых проточная часть может быть составлена из элементов осевой и радиальной машины. Основные свойства лопаточных машин 1. Непрерывность действия. Лопаточные машины – машины непрерывного действия, они пропускают вед. времени большое количество рабочего тела и поэтому обладают хорошими удельными показателями – относительной массой и удельным объемом. 2. Высокие скорости рабочего органа. Рабочие колеса лопаточной машины могут иметь большие окружные скорости. Чем больше окружная скорость, тем больше работа, приходящаяся на единицу массы рабочего тела. Предел увеличению окружных скоростей ставит прочность материала рабочего колеса. В настоящее время окружные скорости центробежных компрессоров приближаются к 600 мс, а колес турбин, работающих в более тяжелых температурных условиях, к 450 мс. 3. Возможность достижения водном агрегате практически неограниченных мощностей и расходов рабочего тела. Так, в настоящее время турбина является двигателем способным развивать наибольшие мощности в течении продолжительного времени. Мощность отдельных (паровых и гидротурбин доходит до 1000 МВт. В тоже время в приборостроении применяются турбины мощностью в несколько ватт. Большие промышленные вентиляторы прокачивают воздуха тысячи мс, водяные насосы – десятки мс воды. В тоже время имеются лопаточные машины с подачей меньше 0,1 л/с. 4. Возможность достижения высокого КПД. КПД у современных лопаточных машин может достигать 0,9. 5. Уравновешенность. Принципиально возможно обеспечить работу лопаточной машины бездействия неуравновешенных сил инерции. Неуравновешенные силы Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 7 инерции в ЛМ могут появляться только в результате погрешностей изготовления. Практически они сводятся к допустимому пределу динамической балансировкой роторов машин. (В ТНА ЖРД ротор можно сбалансировать с погрешностью не более 10 -4 Нм. Уравновешенность машины является ценным эксплуатационным свойством, позволяющим резко уменьшить нагрузки и получить более легкую конструкцию. В этом заключается серьезное преимущество ЛМ пред поршневыми, имеющими кривошипно-шатунный механизм, который всегда неуравновешен. 6. Высокая надежность и простота обслуживания (ткнет трущихся деталей кроме подшипников и контактных уплотнений. 7. Удобство соединения друг с другом, с электродвигателями или генераторами. Т.к. все они являются машинами вращательного движения. Соединение лопаточной машины потребляющую мощность (насос) с ЛМ вырабатывающей мощность (турбина) можно осуществить их объединением (пример ТНА). Требования к ТНА Предъявляемые к ТНА требования формулируются исходя из задач, решаемых двигательной установкой, в которую он входит как составная часть. То, общие требования к ДУ в полной мере относятся и к ТНА (см. требования к ДУ). Но при разработке конструкции ТНА необходимо учитывать ряд требований, предъявляемых к конструкции ТНА как к составной части двигателя 1. Все выходные параметры должны соответствовать параметрам заданным в ТЗ в пределах оговоренных допусков. Основные параметры указанные в ТЗ: компоненты топлива расход входное Р вх и выходное Р вых давления точность поддержания параметров на заданном режиме изменение параметров при переходе с режима на режим (х, х режимные ТНА); время работы (общее и на каждом режиме требования по габаритами массе требования по надежности. Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 8 Вопросы решаемые после прихода ТЗ: выбор насосов и турбин выбор способа раскрутки при запуске выбор конструктивной компоновочной схемы ТНА; расчет основных параметров и размеров агрегата конструкторская компоновка ТНА; выбор материалов и проведение прочностных расчетов выпуск чертежа общего вида ТНА. 2. Конструкция ТНА должна - обеспечивать надежную работу двигателя в пределах заданного времени работы и числа запусков при простоте регулирования и эксплуатации в определенных условиях подавлению и температуре - в максимальной степени учитывать специфические особенности компоновки двигателя (габариты, места крепления и др - быть уравновешенной, не имеющей опасных вибраций деталей и узлов - быть простой как по числу входящих в нее деталей, таки по взаимодействию между ними - иметь высокую технологичность изготовления и сборки (обеспечивать высокое значение коэф. использования материала, учитывать преемственность производства и использовать как можно меньше дефицитных материалов 3. Разработка и освоение конструкции должны укладываться в заданные сроки в пределах планируемой стоимости. При необходимости могут предъявляться дополнительные требования - минимума массы, осевых или радиальных размеров - требования по степени герметичности ТНА; - и т.д. Отдельно предъявляются требования к насосу (насосами их приводу - надежность при работе с различными жидкостями (для ЖРД агрессивными - рабочая характеристика насоса (насосов) должна обеспечивать стабильное значение тяги на всех режимах работы двигателя - насосы должны обладать высокой антикавитационной устойчивостью - стойкость к ударными вибрационным нагрузкам. Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 9 Первыми одним из наиболее ответственных этапов проектирования является выбор компоновочной схемы в которой дается описание наиболее общих, принципиальных особенностей конструкции, а именно - Типов насосов и турбины - Кинематической схемы - Взаимных расположений и взаимной ориентации насосов и турбины - Способов опирания ротора. Компоновочная схема описывает, по существу, концепцию конструкции ТНА и таким образом в значительной степени предопределяет уровень его технического совершенства и надежности. Выбору компоновочной схемы предшествует этап гидро- и газодинамического проектирования ТНА, в результате которого определяются типы насосов и турбины, частота их вращения, а также основные геометрические размеры. Конструктивной называют схему, характеризующую тип, количество, взаимное расположение и соединение отдельных элементов конструкции. Условные обозначения основных элементов ТНА на компоновочной схеме - насос - насос с двухсторонним входом - турбина Все многообразие компоновочных схем ТНА можно классифицировать по определенным признакам 1. По кинематике вращения 2. По расположению турбины относительно опор Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 10 3. По типу ротора 4. По числу опор вала 5. По расположению насосов относительно турбины 6. По взаимной ориентации насосов и турбины. Рассмотрим подробнее классификацию. 1. По кинематике вращения безредукторные схемы редукторные схемы. В безредукторной схеме турбина и насосы расположены на одном валуи вращаются с одинаковой скоростью. а) б) в) В редукторной схеме имеется зубчатая передача, изменяющая скорости вращения одного или обеих насосов по сравнению с вращением турбины. г) Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 11 Турбина не имеет никаких ограничений по скорости вращения кроме прочности, а для насоса существует целый ряд различных ограничений. Благодаря такой схеме возможно подобрать оптимальные частоты вращения как для турбины таки для каждого насоса. Возможна раздельная схема, когда каждый насос приводится во вращение отдельной турбиной. Рабочим телом турбины может быть генераторный газ, получаемый водном газогенераторе или каждая турбина приводится во вращение газом из собственного газогенератора (когда уплотнение между компонентом топлива и несоответствующим ему генераторным газом представляется затруднительным. Большим преимуществом раздельной схемы является возможность сделать разные угловые скорости для насосов окислителя и горючего. Т.к. при равенстве угловых скоростей (однороторная схема) значение угловой скорости ротора принимаются исходя из максимально допустимой для насоса окислителя. д) ТНА насоса окислителя е) ТНА насоса горючего Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 12 2. По расположению турбины относительно опор междуопорная схема (см. риса консольная схема (см. рис. в. 3. По типу ротора Схема с одним валом Схема с двумя валами. Первый тип схемы изображен на риса, б, в, д и е. В схеме второго типа имеются два вала, соединенных между собой ж) промежуточным шлицевым валиком, или рессорой. Задача рессоры передавать крутящий момент от турбины к второму насосу. Рессора не передает ни осевую, ни радиальную силу. В обеих случаях турбина и насосы вращаются с одинаковыми скоростями. Каждый вал, как правило, имеет собственные опоры, установленные в соответствующих корпусах. Вторая схема применяется когда размещение обеих насосов на одном валу приводит к увеличению расстояния между опорами и следовательно к недопустимо большому снижению изгибной жесткости вала. 4. По числу опор вала Схемы с двухопорным валом Схемы с трехопорным валом. Классической является схема с двумя опорами, чаще всего шарикоподшипниковыми см. риса, б, в и т.д.). Осевая фиксация вала относительно корпуса обеспечивается закреплением одной из опор как навалу, таки в корпусе. Вместе стем вторая опора в корпусе не фиксируется, обеспечивая, то, свободу температурных и силовых перемещений вала относительно корпуса. В тех случаях когда в схеме с двухопорным Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 13 валом увеличенное расстояние между опорами приводит к недопустимо большому снижению изгибной жесткости вала, может применяться схема с трехопорным валом з) Особенностью данной схемы является то, что система «вал-опоры» является статически неопределимой. Это вызывает ряд технологических сложностей т.к. усложняется сборка ТНА (из-за проблематичности посадки вала в корпусе потрем поверхностями затруднено надежное распределение радиальной силы потрем опорам. На практике такие затруднения преодолеваются путем введения упругой связи в радиальном направлении между корпусом и одной из опор (введением упругой опоры) или установкой одной из опор в корпусе с увеличенным радиальным зазором. В последнем случае основной функцией такой опоры является ограничение радиальных прогибов вала на рабочих оборотах. 5. По расположению насосов относительно турбины Насос горючего (или окислителя) рядом с турбиной Насос горючего (или окислителя) вдали от турбины. Вопрос о том, какое расположение насосов относительно турбины является целесообразным, зависит от многих факторов, таких, как св-ва рабочих жидкостей насосов и рабочего тела турбины и т.п. Например если турбина работает на восстановительном газе то при консольном расположении турбины рядом с ней лучше располагать насос горючего, особенно в случае самовоспламеняющихся компонентов. Или еще один пример – если есть возможность то у горячей турбины лучше не располагать насос с криогенной жидкостью. 5. По взаимной ориентации насосов и турбины Направление входа в насос горючего (или окислителя) и турбины совпадают риса Направление входа в насос горючего (или окислителя) и турбины не совпадают (рис. б. del Конструирование турбонасосных агрегатов ЖРД 14 При выборе взаимной ориентации насосов и турбины приходится учитывать, как ив предыдущем случае, св-ва рабочих жидкостей насосов, св-ва рабочего газа турбины, тип турбины и ряд других факторов. Например, для схемы показанной на риса) удобно использовать осевой вход в насосы, что упрощает конструкцию входа, делает более технологичной сборку и разборку агрегата и уменьшает массу корпусных деталей ТНА. Нос другой стороны полость высокого давления насоса расположена ближе к газовой полости турбины, что вызывает дополнительные трудности при разделении (уплотнении) этих полостей (особенно полости насоса с недостатком которого подается рабочее тело на привод турбины. Для схемы показанной на рис. б, когда входы насосов расположены со стороны турбины и соответственно ближе к турбине полости низкого давления насосов разделить (уплотнить) эти полости проще чем в предыдущем случае, но при этом жидкость на входе в насос подогревается от горячей турбины, что может вызвать кавитацию на более раннем режиме, особенно при использовании криогенного топлива. При этом также увеличивается длина агрегата и его масса, за счет использования более сложного радиального подвода к насосам. Для схем с центральным расположением турбины всегда обеспечивается надежное разделение полостей насоса друг от друга, симметрично распределяется крутящий момент от диска турбины. При выполнении двигателей с дожиганием газогенераторного газа наиболее целесообразно использовать схему с консольно расположенной турбиной. Эта схема уменьшает массу конструкции подвода и отвода рабочего тела турбины. Такая схема особенно целесообразно если один из насосов выполняется с двухсторонним входом. |