курсовой проект 11д-47 двигателя. Пояснительная записка Проектирование турбонасосного агрегата

• Название: Пояснительная записка Проектирование турбонасосного агрегата
• Анкор: курсовой проект 11д-47 двигателя
• Дата: 20.12.2019
• Размер: 179.99 Kb.
• Имя файла: RPZ_po_TNA_s_dobavleniami.docx
• Тип: Пояснительная записка; #101392
• страница: 2 из 2

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и Ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет

им. Н. Э. Баумана

Факультет «Энергомашиностроение»

Кафедра «Ракетные двигатели»
Расчетно-пояснительная записка

«Проектирование турбонасосного агрегата»

Студенты: Кузьминова А.

Коржов В.

Таривердиев Э.

Кузнецов В.

Группа: Э1-81

Преподаватель: Леонтьев С.Н.

Москва, 2017 г.

Оглавление

Введение 5

1. Техническое задание. 7

2.Описание конструкции ТНА. 8

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ДУ 11

4. БАЛАНС МОЩНОСТЕЙ 12

5. РАСЧЕТ НАСОСА ОКИСЛИТЕЛЯ 14

6. РАСЧЕТ НАСОСА ГОРЮЧЕГО 16

7. РАСЧЕТ АВТОНОМНОЙ ТУРБИНЫ 18

Приложение 2 «Результаты расчета насоса горючего» 20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 24

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 Inventor 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.

ЛИСТ № 5 3D модель ТНА

1. Техническое задание.

Спроектировать турбонасосный агрегат для двигателя со следующими параметрами:
Тяга двигателя P = 347,2кН

Удельный импульс I_у = 3250 м/с

Давление в камере сгорания p_к = 7,84 МПа

Окислитель – кислород (О₂)

Горючее – керосин (Т-1)

Коэффициент избытка окислителя в камере сгорания: 0,757

Коэффициент избытка окислителя в газогенераторе 0,113

Давление на входе в насос окислителя p_1о = 0,46 МПа

Давление на входе в насос горючего p_1г = 0,22 МПа

Частота вращения ω = 1300 рад/сек

Схема ДУ – без дожигания генераторного газа

2.Описание конструкции ТНА.

ТНА двигателя РД-111 состоит из двух шнекоцентробежных насосов- горючего (керосин) и окислителя (кислород) и газовой турбины.

В качестве рабочего тела турбины, за исключением запуска, который осуществляется пороховым статором, используется газ, получаемый в газогенераторе в результате сжигания основных компонентов топлива.

Диск турбины расположен консольно. При таком его расположении выхлопной коллектор не является силовым элементом и имеет меньшую массу. Турбина имеет общий вал с насосом окислителя.

Насос окислителя и насос горючего в ТНА выполнены с двухсторонним входом со шнековыми преднасосами. Насос горючего имеет отдельный вал. Передача крутящего момента от турбины на вал насоса горючего осуществляется через рессору с эвольвентными шлицами. Наличие раздельных валов насосов в сочетании с надежной системой уплотнений по валам допускает поагрегатную доводку и исключает возможность соприкосновения окислителя и горючего.

В ТНА введена взаимная ориентация положения центробежных крыльчаток насоса окислителя и горючего для идентичности всех изготовляемых ТНА и для исключения случайного совпадения по фазе частот мерцания.

Двухступенчатая осевая турбина состоит из статора, куда входит сопловой аппарат с газовым коллектором, направляющий аппарат, выхлопной коллектор, узлы уплотнений, и ротора- рабочего колеса с валом.

Рабочее колесо и вал.

Диск турбины двухвенечный со вставными лопатками, крепление осуществляется замками елочной формы. В ободе диска имеются кольцевые пазы, в которых устанавливаются рабочие лопатки первой и второй ступ6еней. Установка лопаток в пазы производится через вырезы в ободе диска. После установки лопаток вырезы закрываются замками трапециевидной формы. Замки в осевом направлении фиксируются штифтами.

Крепление диска к фланцу стального вала осуществляется с помощью винтов. Крутящий момент диска передается на вал через штифты, запрессованные в отверстия фланцев вала и диска. В диске имеются три отверстия для выравнивания давления перед диском и за ним.

Вал вращается на двух шариковых подшипниках, охлаждаемых кислородом. Кислород для охлаждения и смазки подшипников подводится из плоскости высокого давления через сверления в корпусе и крышке. Подшипник (15) воспринимается осевые нагрузки, возникающие в роторе. Посадка подшипников на валу плотная, в корпусе и в крышке подшипники устанавливаются с зазором, но в рабочих условиях при температуре жидкого кислорода зазор выбирается вследствие различных коэффициентов линейного расширения материалов корпуса и подшипников и обеспечивается плотная посадка.

Передача крутящего момента на шнеки и центробежную крыльчатку производится с помощью прямоугольных шлиц. Крутящий момент на рессору, соединяющую валы, передается с помощью эвольвентных шлиц, нарезанных внутри вала. Уплотнение газа по валу осуществлено с помощью резных колец с дренажем. Пружина, стягивающая сегменты первого от турбины разрезного кольца, выполнена из жаростойкой стали.

Насос окислителя.

Состоит из корпуса и рабочего колеса с узлами уплотнений.

Корпус: Отлитый из алюминиевого сплава корпус вместе с крышкой образуют в сборе основные рабочие полости насоса- патрубок всасывания, спиральную улитку и диффузор. Диффузор заканчивается фланцем для крепления трубопровода. Перед фланцем в стенке диффузора выполнено нарезное отверстие со штуцером для отбора кислорода в газогенератор.

Принятая форма патрубка всасывания обеспечивает подвод компонента к шнекам и центробежной крыльчатке с небольшим гидравлическим сопротивлением. Ребро, делящее поток на две равные части и предотвращающее закрутку потока на входе, является одновременно и ребром жесткости. Патрубок всасывания охватывает улитку снаружи, подкрепляя ее.

Уплотнение стыков крышки с корпусом насоса осуществляется алюминиевыми кольцами. Корпус со стороны турбины имеет четыре прилива для крепления через призматические шпонки корпуса турбины. С правой стороны корпус снабжен фланцем для крепления крыши шпильками.

Крепление корпусов насоса окислителя и насоса горючего осуществляется 4 приливами на каждом корпусе через радиальные призматические шпонки, благодаря которым температурные деформации деталей не нарушают общей соосности агрегатов.

Рабочее колесо.

Представляет собой центробежную крыльчатку закрытого типа с двухсторонним входом с профилированными лопатками двоякой кривизны. Разделение полостей высокого и низкого давлений осуществляется уплотнениями, представляющими собой бронзовые плавающие кольца. Установленные по хромированным буртам центробежной крыльчатки. Торцы плавающих уплотнение прилегают к опорным кольцам, осевое перемещение плавающих колец ограничено втулками, облегчающими, кроме того, сборку насоса.

На входе в центробежное колесо установлены трехзаходные шнеки постоянного шага, выполненные из деформируемого алюминиевого сплава. Входные кромки шнеков ориентированы относительно входных кромок лопаток центробежного колеса для уменьшения эрозии этих лопаток. Над шнеками в корпусе и крышке установлены бронзовые втулки, исключающие возгорание в случае касания шнеков о корпус.

Крутящий момент от вала на колесо и шнеки передается с помощью прямоугольных шлиц.

За дренажными полостями установлены также разрезные кольца. Правый конец вала, кроме того, уплотнен манжетой, предохраняющей уплотнение от проникновения пыли.

Насос горючего.

Состоит из корпуса, рабочего колеса с валом, уплотнений с дренажами и подшипников. Основное отличие от насоса окислителя в конструкции системы уплотнений на валу и в различных условиях работы подшипников.

Корпус.

Корпус и крышка насоса, образующие в сборе патрубок всасывания, улитку диффузор, являются отливками сложной конфигурации. Разъемы в области высокого и низкого давлений уплотнены кольцами из резины. В расточках корпуса и крышки установлены шариковые подшипники нала насоса. Корпус имеет 4 прилива для крепления трубопровода. В нижней части выполнены два прилива с отверстиями для крепления третьей опоры ТНА.

Диффузор насоса заканчивается фланцем для крепления трубопровода. Перед фланцем в стенке диффузора имеется нарезанное отверстие для крепления трубопровода отбора горючего к гидравлическим приводам качания камер.

Рабочее колесо с валом.

Представляет литую центробежную крыльчатку закрытого типа с двухсторонным входом, с профилированными лопатками двоякой кривизны. По ее буртам установлены плавающие кольца, которые совместно с кольцами 46 осуществляют разделение полостей высокого и низкого давлений насоса.

Стальной вал насоса полый, с левой стороны полость имеет эвольвентные шлицы для восприятия крутящего момента от рессоры. Правый конец вала имеет отверстие в форме шестигранника. В него вставляется хвостовик вала датчика числа оборотов.

Передача крутящего момента от вала к крыльчатке и шнекам осуществляется прямоугольными шлицами.

Уплотнения полостей насоса осуществляется системой резиновых манжет и дренажных полостей

Вал насоса опирается на радиально-упорные шариковые подшипники. Небольшие осевые силы, появляющиеся в осевом направлении по внутренней и наружной обоймах. Подшипник 42 в осевом направлении не зафиксирован. Посадка подшипников на валу, в корпусе и крышке- плотная. Оба подшипника работают в среде консистентной смазки, стойкой к горючему.

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ДУ

Расчет проведен по методике из [6].

1. Расход топлива в камеру сгорания



2. Расход окислителя в камеру сгорания



3. Расход горючего в камеру сгорания

=

4. Напор насоса окислителя



5. Напор насоса горючего



6. Давление на входе в турбину



7.Давление на выходе турбины

4. БАЛАНС МОЩНОСТЕЙ

Расчет проведен по методике из [6].



Для решения уравнения баланса мощностей зададимся следующими величинами:

КПД насоса окислителя

КПД насоса горючего

КПД турбины













3,5…5)%

Условие выполняется.

5. РАСЧЕТ НАСОСА ОКИСЛИТЕЛЯ

Расчет проведен по методике из [6].

5.1. Исходные данные

1. Массовый расход



2. Рабочая угловая скорость вращения



3. Коэффициент быстроходности насоса



4. Средний диаметр входных кромок лопаток центробежного колеса



5. Ширина колеса на входе



6. Угол лопатки на входе в колесо



7. Наружный диаметр центробежного колеса



8. Угол лопатки колеса на выходе



9. Ширина колеса на выходе



10. Полный КПД насоса



Результаты расчета насоса окислителя приведены в Приложении 1.

6. РАСЧЕТ НАСОСА ГОРЮЧЕГО

1. Массовый расход



2. Рабочая угловая скорость вращения



3. Коэффициент быстроходности насоса



4. Средний диаметр входных кромок лопаток центробежного колеса



5. Ширина колеса на входе



6. Угол лопатки на входе в колесо



7. Наружный диаметр центробежного колеса



8. Угол лопатки колеса на выходе



9. Ширина колеса на выходе



10. Полный КПД насоса



11. Полезная мощность насоса



Результаты расчета насоса горючего приведены в Приложении 3.

7. РАСЧЕТ АВТОНОМНОЙ ТУРБИНЫ

Расчет проведен по методике из [7].

1 ступень: P-2717Б (33 лист) 2 ступень: P-2118B (42 лист)

Рассчитываемые и выбираемые величины

1. Угол лопаток на входе в колесо.

Из соображений прочности принимаем

.

D_ср=0.435 м

2.Высота сопловой решетки



3. Количество лопаток сопловой решетки



4. Высота колеса на входе

Перекрыша ∆h=0,0015 (м)

h_1л == 0,036 (м) (1 ступень); 0,35 (2 ступень)

5. Средний диаметр на выходе



6. Высота лопаток на выходе



7. Количество лопаток

;95(2 ступень)

8.Степень парциальности турбины

ε= 0,941

Результаты расчета турбины приведены в Приложении 4.

Приложение 2 «Результаты расчета насоса горючего»

Н А С О С : И С Х О Д Н Ы Е Д А Н Н Ы Е

Компонент Kerosene C7.21H13.29;

Плотность компонента 850.000 кг/м3;

Давление насыщенных паров 0.004 МПа;

Кинематическая вязкость 1.77e-06 м2/с;

Массовый расход 155.000 кг/с;

Полное выходное давление 13.500 МПа;

Минимальное полное входное давление 0.220 МПа;

Расположение насоса консольный;

Вид насоса с двухсторонним входом;

Мощность на валу 0.000 кВт;

Расходный параметр 0.100;

Коэффициенты гидравлических потерь:

в подводе 0.600;

в колесе 0.500;

в отводе 0.500;

Коэффициент расхода через уплотнения 0.400.

Заданная частота вращения 1300.000 рад/с.

Н А С О С : Р Е З У Л Ь Т А Т Ы Р А С Ч Е Т А

Насос: с двухсторонним входом;

Объемный расход Q 0.182 м3/с;

Располагаемый напор H 15.624 кДж/кг;

Допустимый срывной кавитационный запас 119.685 Дж/кг;

Кавитационный к-т быстроходн. Ссрв.мах 3232.746;

Коэффициент быстроходности Ns 54.298;

Частота вращения 1300.000 рад/с;

Диаметр вала 0.049 м.

Шнек:

диаметр втулки dвт 0.0536 м;

наружный диаметр Dш 0.1457 м;

эквивалентный диаметр Dэ 0.1354 м;

средний диаметр Dср 0.0996 м;

шаг на входе sвх 0.0391 м;

шаг на выходе sвых 0.0391 м;

осевая длина lz 0.0562 м;

число лопаток zш 2;

длина шнека lzш 0.3130 м;

угол атаки i 1.542 град;

угол лопаток на входе Beta1л 7.123 град;

окружная скорость на Dср 64.751 м/с;

осевая скорость на входе c1z 6.328 м/с.

Центрбежное колесо:

диаметр входа в колесо D0 0.1457 м;

наружный диаметр D2 0.2526 м;

средний диаметр входа D1 0.1096 м;

ширина колеса на входе b1 0.0558 м;

ширина колеса на выходе b2 0.0114 м;

число лопаток z 11;

угол атаки i 11.964 град;

угол лопаток на входе Beta1л 16.610 град;

угол лопаток на выходе Beta2л 31.844 град;

коэффициент напора 0.594;

к-т конечного числа лопаток Kz 0.867;

окружная скорость U на D2 164.162 м/с;

окружная составляющая Cu2 на D2 128.063 м/с;

давление на выходе 13.280 МПа;

располагаемый напор ступени 15.624 кДж/кг.

КПД насоса:

гидравлический 0.745;

расходный 0.900;

дискового трения 0.907;

внутренний 0.608;

механический 0.980;

полный 0.596.

Мощность насоса (Nн) 4063.888 кВт.

Характеристики насоса:

Qотн Hотн Nотн КПДотн

0.0000 0.1482 0.3728 0.0000

0.1000 0.3174 0.4099 0.0774

0.2000 0.4680 0.4544 0.2060

0.3000 0.5998 0.5061 0.3555

0.4000 0.7130 0.5652 0.5046

0.5000 0.8075 0.6316 0.6393

0.6000 0.8834 0.7053 0.7515

0.7000 0.9406 0.7816 0.8423

0.8000 0.9790 0.8562 0.9148

0.9000 0.9989 0.9290 0.9677

1.0000 1.0000 1.0000 1.0000

1.1000 0.9612 1.0692 0.9888

1.2000 0.8629 1.1367 0.9110

1.3000 0.7052 1.2024 0.7624

1.4000 0.4880 1.2663 0.5396

1.5000 0.2114 1.3284 0.2388

1.6000 0.0000 1.3888 0.0000

1.7000 0.0000 1.4473 0.0000

1.8000 0.0000 1.5041 0.0000

1.9000 0.0000 1.5592 0.0000

2.0000 0.0000 1.6124 0.0000

2.1000 0.0000 1.6638 0.0000

2.2000 0.0000 1.7135 0.0000

2.3000 0.0000 1.7614 0.0000

2.4000 0.0000 1.8076 0.0000

2.5000 0.0000 1.8519 0.0000

2.6000 0.0000 1.8945 0.0000

2.7000 0.0000 1.9353 0.0000

2.8000 0.0000 1.9743 0.0000

2.9000 0.0000 2.0115 0.0000

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания ЖРД. – М.: Машиностроение, 1986. – 376с.

2. Овсянников Б. В., Селифонов В. С., Черваков В. В. Расчет и проектирование шнекоцентробежного насоса. – М.: Изд–во МАИ, 1996. – 72с.

3. Боровский Б. И. Энергетические параметры и характеристики высокооборотных лопаточных насосов. – М.: Машиностроение, 1989. – 184с.

4. Высокооборотные лопаточные насосы. Под ред. Б. В. Овсянникова и В. Ф. Чебаевского. – М.: Машиностроение, 1975. – 336с.

5. Васильев А. П., Кудрявцев В. М., Кузнецов В. А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. – М.: Высш. школа, 1983. – 703с.

6. Васильев Ю. А., Лоскутников Г. Т., Андреев Е. А. Расчет и проектирование шнекоцентробежного насоса: методические указания к курсовому проекту «Теория и проектирование турбонасосных агрегатов». – М.: Логос, 2002. – 71с.

7. Васильев Ю. А., Лоскутников Г. Т., Андреев Е. А. Расчет и проектирование газовой турбины: методические указания к курсовому проекту «Теория и проектирование турбонасосных агрегатов». – М.: Логос, 2002. – 72с.

8. Васильев Ю. А., Лоскутников Г. Т. Колебания валов ТНА. Критические скорости вращения роторов ТНА: методические указания к курсовому проекту «Теория и проектирование турбонасосных агрегатов». – М.:МВТУ, 1986. – 48с.

9. Дейч М. Е., Филиппов Г. А., Лазарев Г. А. Атлас профилей решеток осевых турбин. – М.: Машиностроение, 1965. – 96с.

10. Марочник сталей и сплавов. Под ред. Сорокина В. Г. –М.: Машиностроение, 1989. – 640с.

11. Конспект лекций «Теория и проектирование турбонасосных агрегатов».