РД1 Лекции жрд 2017

3 – по числу турбин – 1 или 2 турбины.

4 – по типу турбин – осевые, центробежные, центростремительные, активные – реактивные, одноступенчатые – многоступенчатые.

Конструктивная схема ТНА

1-Крылчатка насоса. 2-Улитка и диффузор (сборник жидкости). 3-Подвод газа. 4-Сопловой аппарат. 5-Колесо турбины. 6-Отвод газа. 7-Уплотнитель турбины. 8-радиальный подшипник. 9-Уплотнитель насоса. 10-Радиально- упорный подшипник

5.1.Устройство и особенности работы ТНА отредактировать!

5.2.Насосы ТНА

ВТНА ЖРД используются осевые и центробежные насосы. Особенность работы насосов:

1-жидкости могут быть коррозионно-активными, криогенными, что ограничивает выбор материалов для деталей насосов.

72

2-стремление к понижению габаритов и массы насосов требует их высокооборотными ,что может вызвать кавитацию и снижение КПД.

Кавитация-холодное кипение жидкости, возникающее в случае, если статическое давление жидкости меньше давления насыщенных паров.(на входе в насосы, где полное давление минимальное, а скорость потока несколько увеличивается). Поэтому наступает, когда Рст <Рs.

Этому явлению способствует неравномерность распределения скорости жидкости на входе в насос. Пузырьки пара в жидкости перемещаются с ней в зону повышенного давления и конденсируются. Поэтому процесс кавитации – нестационарный (колеблется расход и напор). Работа насоса становится неустойчивой. Кроме этого конденсация пузырьков пара на поверхности стенок канала повышает рж до сотен атмосфер и разрушает поверхность металла.

Явление недопустимо, т.к. приводит к разрушению насоса.

Для устранения этого явления усложняют конструкцию насоса, или повышают Рбака (наддув баков), что связано с повышением удельной массы бака.

Повышение Рвых и n вращения ротора обуславливают большие напряжения в деталях насоса, что повышает требований к изготовлению элементов насоса.

Насосы характеризуются

1.Напором HH = Pвыхρ− Pвх ; где Pвых , Pвх -давление на выходе и входе из

ж

наcоcа, ρж -плотность жидкости (Па м3/ кг или Нм/кг).

2.Производительностью: m& н (масса жидкости, прокачиваемая за 1сек);

3.Коэффициент полезного действия: ηн – характеризует совершенство конструкции и области наилучших условий его работы.

необходимый для безкавитационной работы насоса.

73

6.Частота вращения nн (~800…10000 1/с), чем выше nн, тем выше Рвх min. nmax безкавитационной работы определяется формулой Руднева

Насосы классифицируют

По типу рабочего органа насосы разделяют на: лопаточные, струйные, объёмные.

В ЖРД – лопаточные насосы делятся на осевые и центробежные.

Осевые насосы (шнековые, пропеллерные).- жидкость движется параллельно оси.

Центробежные насосы – жидкость движется перпендикулярно оси насоса. Их применяют в качестве основных и вспомогательных насосов в ЖРД.

Насосы бывают – одноступенчатые и многоступенчатые. Многоступенчатые применяют, когда рs паров жидкости повышают кавитационный запас (∆Ркав), или необходимо обеспечить достаточный Нн при малых ρж.

Преимущества центробежных насосов перед осевыми – большая степень ∆рж в

одной ступени, небольшие осевые габариты.

Недостаток: повышенная склонность к кавитации и большие радиальные габариты.

74

Для шнекового насоса Сср в = 3000…4000 (с антикавитационным покрытием).

5.3. Турбины ТНА

Для привода насосов в ЖРД применяются турбины. Преимущества: - большая удельная мощность Nут, -, малый расход рабочего тела mт,

-высокие обороты nт,

-простота соединения с насосами.

Основные параметры турбины: мощность Nт,

степень срабатывания давления πт = рвх/рвых, температура перед турбиной Тт, частота вращения nт,

К.П.Д. (1ст. 0,6, 2ст. 0,8).

Взависимости от направления потока относительно оси колеса различают осевые и радиальные (центростремительные и центробежные) турбины.

ВТНА ЖРД применяют осевые турбины, активные и реактивные, с парциальным и с полнопоточным подводом газа.

Крепление лопаток с диском с замками, блиск, сварка.

Применяемые материалы: Жаропрочные (СА и лопатки).

Лопатки: Сталь ХН77ТЮР(Ж-437) или сплав ЖС3-ЖС6-К ЛК4.

Для Н2О2 лопатки – из алюминиевых сплавов АК или 30ХГСА. Диски турбины: сплавы ХН77ТЮР ( ЭИ 737Б) ХН73МБТЮ (ЭИ 698) ЖС-3

ЖС-6К, ЛК-4.

Валы: 38ХА, 2Х13, 18ХНВА, 40ХНМА.

75

5.4.Конструктивные схемы ТНА

–это графическое изображение, на котором представлено взаимное расположение и связь между основными структурными элементами ТНА.

Выбор конструктивной схемы производится на основе анализа вариантов и сравнения их характеристик при этом учитывают свойства топлива, удобство уплотнения, возможность

уравновешивания сил.

Классификация конструктивных схем ТНА

Концепция конструктивных схем, применяемых при создании ТНА, и

Конструктивные схемы ТНА:

1.- без редуктора; 2. – с редуктором; 3.- раздельная

приведенных ниже была разработана А.И. Белоусовым.

см. стр. 124 и 125

76

_________________________________________________________________

Лекция 8 6.. Компоновка ЖРД и ЖРДУ на ЛА

Компоновкой называется процесс нахождения рационального взаимного

положения отдельных элементов в ДУ.

Взаимное положение агрегатов ЖРД определяется:

-назначением двигателя;

-величиной тяги;

-числом камер двигателя;

-видом СПТ (система подачи топлива);

-компоновочной схемой ЛА;

-конструктивными, производственными, эксплуатационными и экономическими соображениями;

-преемственностью в конструировании.

Компоновка должна обеспечить:

-компактность и минимальную массу ДУ;

-минимальные гидравлические и тепловые потери в агрегатах и магистралях двигателя;

-минимальное отрицательное влияние двигателя на характеристики и систему управления ЛА;

-минимальный нагрев, деформации и вибрацию корпуса ЛА;

-удобство, простоту монтажа и эксплуатации ДУ;

соблюдение правил техники безопасности.

Размещение ЖРД на ЛА

Обычно двигатель размещается в хвостовой части ЛА и его ступеней, при

этом проще обеспечить работу системы управления, выхлоп газов, его

установку и эксплуатацию (это толкающая схема).

Примечание: может быть реализована и тянущая схема (ЖРД располагают впереди ЛА).

Например: на ракете Р – 39 системы «Тайфун» расположение 4-х камерной ДУ ЖРД для развода боеголовок. РДТТ системы САС для спасения космонавтов на ракетах «Союз» и «Апполон».

77

а) компоновка ЖРД может быть выполнена по последовательной схеме,

когда баки – камера ЖРД расположены по оси ЛА (при этом камера может быть, как подвижна, так и нет относительно баков блока. Для её поворота – рулевые машины. Сопло выдвигается из корпуса блока наружу, что уменьшает нагрев конструкции от газов);

б) параллельная компоновка ДУ (баки имеют торовую или сферическую

форму и расположены вокруг камеры).

Для защиты агрегатов от лучистого нагрева на выходную часть сопла надевают экран.

Расположение агрегатов управления

1)Регуляторы тяги и соотношения компонентов топлива и другие клапаны располагают ближе к объекту управления для: – уменьшения гидравлических потерь и инерционности системы.

2)Их устанавливают в магистрали с меньшим расходом (уменьшает мощность привода и массу агрегата, повышает эффективность регулирования).

3)Ось элементов регулирования располагают перпендикулярно полётному ускорению – устраняют влияние полетных условий.

4)Главные и отсечные клапаны располагают ближе к камере для уменьшения

τ0

импульса последействия Iп = ∫Рdτ .

τ

5)Должны быть обеспечены температурные условия работы агрегатов (место установки; охлаждение; теплоизоляция).

6)Регулировку установки агрегатов для снижения монтажных напряжений.

7)Источники газа располагают ближе к бакам. Обеспечить сгорание топлива в ЖАДах и ПАДах до поступления в бак.

8)При установки трубопроводов обеспечить компенсацию силовых и термических деформации в их конструкции.

9)Все металлические части ДУ должны иметь хороший электрический контакт (электросваркой, резьбой, перемычками) для снятия статического электричества.

79

10) Провода эклектических цепей объединяют в кабели, которые экранируют и крепят хомутами к конструкциям ЛА и ЖРД. Провода по назначению не должны влиять на работу друг друга.

Насосная система подачи топлива (НПТ)

Компоновка однокамерных ЖРД с НПТ сложнее, чем ВПТ. Двигатель имеет много агрегатов. Взаимное расположение ТНА и камеры ЖРД. Их стараются расположить рядом.

1) Ось ТНА перпендикулярна оси камеры.

а) ТНА расположена над камерой, последовательно.

Достоинства: не влияет на эволюцию ЛА и управляющие моменты. Недостатки: увеличивается длина и масса ЖРД и ЛА.

б) ТНА рядом с камерой.

Достоинства: уменьшает длину трубопроводов подачи компонентов в камеру сгорания, гидравлические потери и массу.

Недостатки: смещается центр тяжести двигателя, появляется дополнительный момент в узлах крепления.

в) Крепление ТНА в зоне критического сечения камеры. Достоинства: уменьшается объём ЖРД и его длина.

Недостатки: увеличивается длина трубопровода и гидравлические потери

в них.

г) При работе по замкнутой схеме оси ТНА и камеры параллельны. Достоинства: ГГ расположен ближе к турбине, для уменьшения

гидротеплопотерь, а выход из турбины – к камере сгорания.

Недостатки: влияет на моменты управления и центр тяжести (учитывать для малых ракет).

В двигателях с НПТ в магистралях подачи топлива применяются 2-а разделительных клапана, для предотвращения потерь компонентов через ТНА и камеру до запуска ЖРД.

У ЖРД с дожиганием турбина расположена ближе к головке камеры для уменьшения гидравлических и тепловых потерь.

80