Жидкостные ракетные двигатели (стр. 21 )

Различают следующие компоновочные схемы ТНА, рис.57.

При трехвальной схеме ТНА числа оборотов насосов и турбины неза­висимы друг от друга и могут выбираться из условий оптимальности работы насосов. Однако, наличие редукторов, работающих в сложных условиях (высо­кие значения/Окружной скорости, сложность обеспечения эффективной систе­мы смазки и охлаждения), в некоторых случаях сводит к минимуму выигрыш от повышения значений КПД насосов.

Рис.57

Компоновочные схемы ТНА

Наибольшее распространение в ЖРДУ получили одновальные схемы ТНА.

8.3. Устройство центробежного насоса

В ТНА ЖРД обычно в качестве основных применяются центробежные насосы. Основными достоинствами, определяющими преимущественное ис­пользование этих видов насосов в ЖРД, являются:

-        обеспечение высоких давлений подачи и производительности при
малых габаритах и массе;

возможность работы на агрессивных и низкокипящих компо­нентах; возможность работы с большим числом оборотов и удобство ис­пользования турбины для их привода.

На рис.58 показана схема одноступенчатого центробежного насоса. Жидкость по входному патрубку 1 подается на вращающееся колесо (крыльчатку) 2. В колесе насоса жидкость движется по каналу, образован­ному стенками колеса и лопатками 3. Усилие, действующее со стороны ло­паток колеса на жидкость, заставляет ее двигаться так, что запас энергии в единице массы жидкости увеличивается. При этом происходит прирост как потенциальной энергии (статического давления), так и кинетической энер­гии жидкости.

Рис.58

Схема центробежного насоса:

1 — входной патрубок; 2 — колесо насоса (крыльчатка); 3 — лопатки;

4 — диффузор; 5 — лопатки диффузора; 6 — сборник или улитка; 7 — переднее уплотнение;

8 — подшипник вала; 9 — уплотнение подшипника

На выходе из колеса жидкость поступает в диффузор 4, где уменьшает­ся ее абсолютная скорость и дополнительно возрастает давление. Простейший

дифузор состоит из гладких дисков, составляющих его стенки, и называется безлопаточным. Лопаточный диффузор имеет неподвижные лопатки 5 (на рис.58 показаны пунктиром), которые способствуют более быстрому гашению скорости потока. Пройдя диффузор, жидкость поступает в спиральный канал (улитку) б, назначение которого состоит в том, чтобы собирать жидкость, вы-ооящую из колеса, а также уменьшать ее скорость. По нагнетающему патруб-ц жидкость подается в сеть.

Чтобы уменьшить перетекание жидкости из полости высокого дав­шая (диффузора, улитки) в область низкого давления, в насосе делаются уп-лотнения 7.

Рис.59

' Схемы центробежных насосов:

а—с осевым входом; б—со спиральным входом; в—с двухсторонним входом; г—многоступенчатый насос

Центробежные насосы выполняют с осевым, спиральным и двойным входом, одно-и многоступенчатые. Выбор осевого или спирального входа (рис.59, а, б)определяется в первую очередь условиями компоновки ТНА и дви­гательной установки. Двойной вход (рис.59, в) выполняют при больших расхо­дах для уменьшения скорости на входе и тем самым для улучшения антикави-тационных свойств насоса. Многоступенчатые насосы (рис.59, г) применяют при необходимости получения особенно больших напоров.

Обычно корпуса насосов выполняются литьем из высокопрочных алюминиевых сплавов, а в случае высоких давлений - из стали. Количество профилированных лопаток крыльчатки составляет не более 8, а их толщина лежит в диапазоне 2 ч - 5 мм.

8.4. Крыльчатки насосов

Различают крыльчатки, открытого и закрытого типов, рис.60 (а, б).

Открытая крыльчатка используется в насосах с малым расходом и дав­лением компонента. Для крыльчатки такого типа характерны значительные потери, обусловленные перетеканием компонента из области повышенного давления (на выходе из насоса) в область пониженного (на входе в насос). Крыльчатка состоит из диска 1 и выполненных на нем лопаток 2.

В закрытых крыльчатках на торцевых поверхностях лопаток устанав­ливается крышка 3., которая может быть выполнена за единое целое с крыль­чаткой. В крыльчатках такого типа потери на перетекание компонента значи-

тельно меньше, чем в открытых крыльчатках. Обычно крыльчатки изготавли­вают литьем. Число профилированных лопаток, как правило не превышает 8, а их толщина менее 5мм. Крыльчатки, представленные на рис.60, относятся к крыльчаткам с односторонним подводом компонента.

Для снижения расхода компонента через лопаточный канал крыльчат­ки (с целью исключения возникновения процесса кавитации) используются крыльчатки с двухсторонним подводом компонента, рис.61.

Рис.60

Односторонние крыльчатки: а - открытого типа; б - закрытого типа

Рис.61

Двухсторонняя крыльчатка

8.5. Уплотнения крыльчаток

С целью снижения перетечек жидкости в крыльчатках насосов уста­навливаются уплотнения следующих типов: щелевые, лабиринтные и плавающие, рис.62 а, б,в, соответственно.

Принцип работы щелевых уплотнений основан на обеспечении высо­кого гидравлического сопротивления кольцевой щели между графитовым вкладышем, установленным в корпусе насоса, и проточкой, выполненной во входном сечении диска. Конструкция данного уплотнения допускает до 15% перетечек от объема перекачиваемой жидкости, в то время как лабиринтное, рис.62 б, и плавающее (набор фторопластовых и алюминиевых шайб, установ­ленных во входном сечении крыльчатки), рис.62 в, - до 10 % и 5 %, соответ­ственно.

а)        б)        в)

Рис.62

Уплотнения крыльчаток: а - щелевое; б - лабиринтное; в - плавающее

8.6. Основные параметры насосов 1 .Объемная производительность насоса, V, м3 / с

где:

- массовый секундный расход жидкости, кг/с; - плотность рабочего тела на входе в крыльчатку, м3 / кг.

Относительная скорость движения жидкости в насосе, а, следователь­но, V ипропорциональны частоте вращения крыльчатки:

2. Действительный напор насоса, Нд, Дж/кг.

Действительный напор насоса характеризует приращение энергии, приобретенное 1 кг жидкости, прошедшей через насос.

где:

Р вых. > Р вх.  - давление на выходе и входе в крыльчатку, н/ м2 ; - средняя плотность жидкости в крыльчатке насоса, м3 / кг ;

Напор пропорционален произведению квадратов частоты вращения n и внешнего диаметра крыльчатки:

3.Давление на выходе из насоса,  PBblX, Па.

где:

-        давление в камере, Па;

-        перепад давления на форсунках, Па;
- перепад давления, обеспечивающий  преодоление гидравлического

сопротивления магистрали от насоса до камеры ЖРД, Па.

4.Число оборотов крыльчатки, n, об/мин.

где:

- угловая скорость крыльчатки, 1/ с.

5.Полезная мощность насоса, N, Вт.

Полезная мощность насоса - мощность, переданная насосом жидкости, т. е. затраченная на создание действительного напора при заданной объемной производительности.

Полезная мощность насоса пропорциональна кубу числа оборотов крыльчатки

б. Коэффициент полезного действия насоса насоса,,  %.

где:

,,-объемный, гидравлический и механический коэффициенты

полезного действия (к. п.д.) насоса, соответственно.

где V ут. - объемная производительность насоса, обусловленная перетечками в нем.