Агрегаты подачи

УДК 621.455(075)

турбонасосные агрегаты для водородных ЖРД, разработанных КБХА

Дмитренко А.И. – КБХА, канд. техн. наук

Иванов А.В. – КБХА, канд. техн. наук

Рачук В.С. – КБХА, доктор техн. наук

Задача создания кислородно-водородных двигателей нового поколения является актуальной на сегодняшний день. Одним из главных элементов жидкостного ракетного двигателя является турбонасосный агрегат. Статья посвящена развитию конструкции турбонасосных агрегатов для кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей, разработанных в КБХА. Кроме того, рассмотрен водородный ТНА ядерного ракетного двигателя (ЯРД) РД0410, так как по своим параметрам и условиям работы ТНА ЯРД очень близки к ТНА ЖРД безгенераторной схемы.

Современные системы питания водородных ЖРД, включающие главный и бустерный турбонасосные агрегаты, являются важной составной частью космических жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Уровень совершенства и надежность турбонасосных агрегатов оказывают заметное влияние на технические характеристики двигателей.

От экономичности главного турбонасосного агрегата (ТНА) в значительной мере зависит уровень такого важного параметра двигателя, как давление в его камере. Антикавитационными качествами насоса бустерного турбонасосного агрегата (БТНА) определяется уровень давления водорода в баке и возможность реализации подачи водорода на вход двигателя без наддува бака. Долговечность подшипников и рабочих лопаток турбины ТНА могут определять периодичность и стоимость межполетного ремонта двигателей.

В КБХА были созданы кислородно-водородные двигатели как генераторной, так и безгенераторной схем. Для ТНА ЖРД, выполненных с газогенератором, можно выделить следующие основные особенности [1]:

– для схемы с дожиганием генераторного газа характерны высокие давления за насосами, что требует повышенной напряженности агрегата, бóльшей потребной мощности турбин ТНА;

– высокий теплоперепад между полостями насоса горючего и турбины – до 1000 К, что ведет к большим термическим напряжениям и деформациям, неблагоприятным условиям работы разделительного уплотнения между насосом водорода и турбиной;

– неблагоприятные условия работы узла разделения насоса и турбины турбонасосного агрегата окислителя (в случае использования схемы двигателя с двумя главными турбонасосными агрегатами – окислителя и горючего), так как газ в полости турбины имеет высокую температуру;

– значительные несбалансированные осевые силы на роторе, что требует либо специальных мероприятий по снижению скорости запуска за счет установки специальных агрегатов системы управления и регулирования, либо большого диапазона разгружающей способности автомата разгрузки ротора от действия осевых сил;

– забросы температуры в газогенераторе (на входе в турбину) при запуске, останове и переходе с одного режима тяги на другой;

– неравномерность температурного поля на выходе из газогенератора, приводящая к наличию существенных (до 100 К) забросов температуры по отношению к среднемассовой температуре потока;

– турбина ТНА работает на неоднородном газе, представляющем собой продукты сгорания высокотемпературного газа с избытком водорода;

– наличие проблем, связанных с необходимостью удаления паров воды после останова и предотвращения их замерзания при последующем включении двигателя;

– теплопотоки от турбины к насосу (после останова двигателя особенно к опорам ротора), что требует тщательного захолаживания перед повторным запуском;

– высокий уровень вибрационных нагрузок, действующих на турбонасосный агрегат, связанный с наличием в схеме двигателя одного из основных источников вибраций – газогенератора.

По отношению к ТНА безгенераторная схема ЖРД имеет следующие особенности [1]:

– низкая температура рабочего тела турбины;

– равномерное температурное поле газа на входе в турбину;

– низкие термические удары в конструкции турбины;

– низкие термические напряжения в зоне между насосом и турбиной;

– низкие термические напряжения в рабочих колесах турбины, связанные с утечками водорода из насоса в турбину;

– исключение возможности перегрева подшипников, расположенных рядом с турбиной после выключения двигателя;

– улучшение условий работы уплотнений, разделяющих насос и турбину ТНА окислителя;

– отсутствие «забросов» температуры рабочего тела турбины при запуске и останове двигателя;

– отсутствие газогенератора с агрегатами его запуска и управления;

– пониженный уровень вибрационных нагрузок благодаря отсутствию в схеме двигателя одного из основных источников вибраций – газогенератора;

– отсутствие влаги в полостях турбины из-за того, что в составе рабочего тела турбины отсутствуют пары воды;

– сокращение сроков и стоимости отработки двигателя за счет возможности предварительной автономной отработки систем питания окислителя и горючего на натурных компонентах с приводом турбины ТНА газообразным водородом от систем стенда.

Таблица 1
Наименование параметра	ЯРД РД0410	ЖРД РД0146
Год начала разработки	1965	1997
Расход через насос, кг/с	3,8	3,1
Давление на выходе насоса, МПа	224	265
Частота вращения, об/мин	65700	123000
Количество ступеней насоса	3	2
Окружная скорость крыльчаток насоса, м/с	413	548
Количество ступеней турбины	1	2
Степень парциальности турбины	0,56	1,0
Окружная скорость колес турбины, м/с	468	452
Быстроходность подшипников (Dсрn), ммоб/мин	2,2106	3,08106
Масса ТНА, кг	35	16,5

В настоящее время в КБХА создано четыре водородных ТНА: один для двигателя генераторной схемы РД0120 [2], три для двигателей безгенераторной схемы: ТНА для ЯРД РД0410 [3], водородный ТНА для ЖРД РД0146 [4] и главный турбонасосный агрегат (ГТНА) для модернизации двигателя RL-10 [5]. Кроме того, в КБХА с 1998 по 2002 гг. было разработано три кислородных ТНА для двигателей cCause, RL-60 и РД0146 с турбиной, приводимой во вращение газообразным водородом.

Первым водородным ТНА, разработанным в КБХА, был ТНА для ЯРД РД0410, его разработка началась в 1965 году. Система подачи водорода [3] этого двигателя (рис. 1) включала главный ТНА [2] с трехступенчатым насосом, приводимым одноступенчатой осевой турбиной (рис. 2), и бустерный ТНА, в котором для привода насоса использовалась гидротурбина. Двигатель должен был обеспечивать 10 запусков с общим временем работы 3600 с. Отработка системы подачи ЯРД РД0410 осуществлялась в составе «холодного» двигателя. Была достигнута наработка ТНА и БТНА 13380 с без их переборки и ремонта с сохранением работоспособного состояния. Основные параметры ТНА приведены в таблице 1.

Рис. 1. Схема системы питания ЯРД РД0410 Рис. 2. Конструктивная схема ТНА ЯРД РД0410

Таблица 3
Наименование параметра	Значение параметра
Число ступеней турбины	2
Температура на входе в турбину, К	800
Частота вращения ротора насоса, об/мин	33500
Окружная скорость на среднем диаметре турбины, м/с	420
Мощность турбины, кВт	68000

Таблица 2
Наименование параметра	Значение параметра
	Насос окислителя	Насос горючего
Число ступеней насоса	1+1	3
Давление на входе в насос, МПа	4,5	2,3
Давление на выходе из насоса, МПа	49,3/58	45,5
Перепад давлений на одной ступени, МПа	44,8/53,5	14,4
Массовый расход через насос, кг/с	358	60
Частота вращения ротора насоса, об/мин	33500
Окружная скорость на наружном диаметре крыльчатки, м/с	270	600

Рис. 3. Схема системы питания ЖРД РД0120: 1 – ТНА, 2 – БТНА кислорода, 3 – БТНА водорода, 4 – газогенератор, 5 – камера

В кислородно-водород-ном ЖРД РД0120 с дожиганием генераторного газа после турбины, созданном в КБХА для ракетно-косми-ческой системы «Энергия-Буран», система подачи [2] имеет ТНА, водородный и кислородный бустерный турбонасосные агрегаты (рис. 3). ТНА имеет традиционную для отечественных ЖРД одноблочную схему, в которой насосы горючего и окислителя имеют одинаковые частоты вращения за счет механиче­ской связи роторов с помощью шлицевой рессоры (рис. 4). Схема системы питания с одноблочной схемой ТНА используется также в кислородно-водород­ных российских двигателях Д57 и КВД-1. В данной схеме обеспечивается согласованное изменение параметров водородного и кислородного насосов ТНА на переходных режимах за счет механической связи роторов, используется одна рабочая турбина ТНА. Недостаток схемы заключается в ограниченных возможностях оптимизации параметров кислородного и водородного насосов. Основные параметры насосов и турбины ТНА ЖРД РД0120 приведены в таблице 2 и 3.

Представляет интерес конструкция турбонасосных агрегатов для многоразового варианта двигателя РД0120 и двигателя тягой около 900 кН для многоразовой транспортной космической системы, так как корпуса турбин этих ТНА выполнены охлаждаемыми. Однако из стадии проектных работы по этим агрегатам не вышли. Их схемы приведены на рис. 5, 6.

Рис. 4. Продольный разрез ТНА ЖРД РД0120:

1 – крыльчатка генераторной ступени; 2 – отвод камерной ступени; 3 – крыльчатка камерной ступени; 4 – подвод кислородного насоса; 5 – разделительное уплотнение; 6 – подвод водородного насоса; 7 – крыльчатка; 8 – обратный направляющий аппарат; 9 – коллектор подвода газа к турбине; 10 – рабочее колесо второй ступени турбины; 11 – сопловой аппарат второй ступени турбины; 12 – рабочее колесо турбины первой ступени; 13 – сопловой аппарат первой ступени турбины

Рис. 5. ТНА для многоразового варианта двигателя РД0120

Рис. 6. ТНА многоразовой транспортной космической системы

Третьим водородным ТНА, разработанным в КБХА, был ТНА для двигателя безгенераторной схемы РД0146. Его разработка началась в 1997 г. Схема системы питания с двумя главными ТНА используется в созданном в КБХА двигателе РД0146 (рис. 7). Для обеспечения бескавитационной работы насосов ТНА в этом двигателе используются два бустерных турбонасосных агрегата. В двигателе не используется бортовой компьютер. Аналогичные схемы системы питания, но без БТНА применены в двигателях Vulcain и Vinci (Франция), LE-5 и LE-7 (Япония), YF-75 (Китай).

Рис. 7. Схема системы питания ЖРД РД0146: 1 – ТНА водорода, 2 – ТНА кислорода, 3 – БТНА водорода, 4 – БТНА кислорода, 5 – камера

Рис. 8. Ротор ТНА водорода ЖРД РД0146

ТНА водорода представляет собой единый блок, объединяющий двухступенчатые насосы и турбину. Этот ТНА обладает рекордной частотой вращения ротора из всех ТНА, использовавшихся в составе маршевых двигателей. Ротор водородного ТНА – закритический (рис. 8), его рабочая частота вращения расположена между второй и третьей критическими частотами вращения. Основные параметры ТНА приведены в таблице 1. В конструкции ТНА широко используются детали, изготовленные методом горячего изостатического прессования гранул: рабочие колеса насоса и турбины, обратный направляющий аппарат насоса.

В 2004 году по контракту с Пратт-Уитни Рокетдайн (США) в КБХА был разработан, изготовлен, а в марте 2007 года испытан на кислороде и водороде одноблочный главный турбонасосный агрегат (ГТНА) для модернизации двигателя RL-10. Применение этого ТНА позволяет расширить диапазон использования двигателя по тяге от 50 до 156 кН, вместо 67-110 кН. ТНА достаточно прост по своей конструкции, имеет высокую надежность.

Рис. 9. Схема системы питания RL-10 с ГТНА

Схема системы питания двигателя RL-10 при использовании ГТНА, разработанного КБХА, приведена на рис. 9. Внедрение ГТНА в конструкцию двигателя исключает зубчатый редуктор, но требует использования бустерного насоса по линии жидкого кислорода.

ГТНА состоит из имеющих одинаковую частоту вращения насосов окислителя и горючего (рис. 10). Насос горючего скомпонован в едином блоке с турбиной, состоит из вынесенной осевой ступени со спрямляющим аппаратом и двух центробежных ступеней. С выхода из первой центробежной ступени на вход во вторую водород подается с помощью обратного направляющего аппарата. Для разгрузки ротора от действия осевых сил в насосе предусмотрен автомат осевой разгрузки. Турбина ГТНА – осевая двухступенчатая. Для обеспечения приемлемой быстроходности насоса при высокой частоте вращения кислородный насос выполнен с двухсторонним входом. Роторы насосов для передачи крутящего момента от турбины к насосу окислителя соединены при помощи шлицевой рессоры. Между полостями турбины и насоса окислителя выполнено разделительное уплотнение. Ряд деталей водородного насоса изготавливается методом горячего изостатического прессования из порошка. На рис. 11 приведен внешний вид ротора водородного насоса ГТНА.

Рис. 10. Конструктивная схема одноблочного ГТНА для ЖРД RL10

Рис. 11. Ротор водородного насоса ГТНА

При проектировании всех ТНА использовался основополагающий принцип: «Простота конструкции – основа надежности и низкой стоимости ТНА», который реализуется следующими конструктивными мероприятиями:

– минимумом деталей;

– минимумом сварных соединений;

– минимумом наружных разъемов;

– широким использованием литых заготовок;

– рациональным использованием порошковых заготовок;

– адаптацией конструкции к условиям производства.

ТНА является высокооборотным агрегатом. Довольно часто у специалистов, не занимающихся разработкой ТНА, выбор высокой частоты вращения вызывает недоумение. При этом не учитывается, что выбор частоты вращения подчинен достижению высокой экономичности и минимальной массы и габаритов ТНА.

Положительными сторонами повышенной частоты вращения ротора являются:

– увеличение напора, создаваемого одной ступенью насоса;

– увеличение коэффициента быстроходности, а следовательно, и КПД насоса;

– увеличение коэффициента быстроходности турбины, что приводит к повышению КПД турбины из-за увеличения высоты лопатки и связанного с этим уменьшения концевых потерь;

– увеличение для двигателей малых тяг степени парциальности турбины, что повышает ее КПД;

– снижение осевых и радиальных нагрузок на ротор из-за уменьшения его габаритов;

– снижение осевых нагрузок, действующих на корпусные детали и разъемы корпусов;

– уменьшение осевых деформаций корпусов из-за уменьшения их размеров;

– уменьшение массы и радиальных габаритов ТНА.

Отрицательными сторонами повышенной частоты вращения роторов ТНА являются:

– повышенное потребное входное давление (повышенный потребный напор БТНА);

– повышенная быстроходность подшипников при заданном их типоразмере;

– повышенные напряжения в лопатках турбины;

– пониженные запасы по критическим оборотам роторов.

Следует иметь в виду, что снижение частоты вращения повышает крутящий момент на валу, это требует увеличения диаметра подшипника. Из-за дискретных значений диаметров стандартных подшипников, наличия посадочных поверхностей, шлицевых соединений, снижение частоты вращения в малоразмерных ТНА одноблочной схемы может не привести к снижению быстроходности подшипников.

Безусловно, частота вращения оказывает влияние на работоспособность и долговечность элементов конструкции ТНА, но определяющими параметрами для ТНА, влияющими на напряженность, являются:

– давление в полостях насосов и турбины;

– температура рабочего газа турбины;

– окружные скорости рабочих колес насоса и турбины;

– напряжения в лопатках турбины;

– динамические характеристики ротора;

– быстроходность подшипников.

Среди этих параметров только быстроходность подшипников и напряжения от центробежных сил в рабочих лопатках турбины зависят от частоты вращения. Практика показывает, что долговечность или периодичность ремонта ТНА двигателей многократного использования определяются подшипниками и рабочими лопатками турбины.

В ЖРД, используемых в верхних ступенях, долговечность подшипников должна составлять около одного часа при их быстроходности D_ср·n=(2–3)·10⁶ мм·об/мин (D_ср – средний диаметр подшипника) [8]. В КБХА отработана базовая конструкция шарикоподшипников с быстроходностью (3,1–3,6)·10⁶ мм·об/мин, обеспечивающая решение этой задачи.

Долговечность рабочих лопаток турбины определяется в основном двумя факторами: температурой рабочего газа и напряжениями в лопатках от центробежных сил. Отработка ТНА кислородно-водородного ЖРД РД0120 показала, что температура рабочего газа оказывает существенное влияние на долговечность рабочих лопаток. Уровень температуры не только влияет на механические характеристики материалов, с ним связаны также термические напряжения, возникающие при запуске и выключении двигателя, и термические напряжения, вызванные утечками низкотемпературного водорода из насоса в полость турбины. В процессе отработки ТНА двигателя РД0120 для колес турбины в КБХА были отработаны технологии, конструкционные материалы и конструктивные мероприятия, существенно повышающие долговечность рабочих лопаток, работающих в условиях относительно высокой температуры рабочего газа. Однако двигатели безгенераторной схемы обладают несомненным достоинством, обусловленным низкой температурой рабочего газа турбины.

Напряжения от центробежных сил в корневом сечении лопатки постоянного по высоте лопатки сечения подчиняются зависимости [7]:

(1),

где n – частота вращения; F_Т – осевая площадь проходного сечения колеса.

Таблица 4
Двигатели	n2Fт 10-12, (об/мин)2мм2
ЖРД РД-0120	23,3
ЖРД РД-0146	27,9
ГТНА для RL-10	15,5
ЯРД РД-0410	13,8

В таблице 4 приведены значения параметра n²F_т для ЖРД РД0120, РД0146, ГТНА для RL-10 и ЯРД РД0410, видно, что напряженность лопаток в ЖРД РД0146 и РД0120 существенно выше, чем в ЯРД РД0410. Несмотря на высокое значение параметра n²F_т в двигателе РД0146, для двигателей безгенераторной схемы из-за низкой температуры рабочего газа турбины обеспечение прочности рабочих лопаток не является проблемой.

Следовательно, долговечность шарикоподшипников и напряженность рабочих лопаток турбины не являются в настоящее время критичными параметрами при выборе частоты вращения ТНА двигателей безгенераторной схемы.

При выборе частоты вращения необходимо иметь в виду, что в соответствии с зависимостью (1) напряжения от центробежных сил в рабочих лопатках существенным образом зависят от частоты вращения (пропорциональны квадрату частоты вращения) и не зависят от окружной скорости рабочего колеса.

Прогресс, достигнутый КБХА в области водородной техники, показан в таблице 1 на примере созданных в разное время и имеющих близкие параметры водородных ТНА для ЯРД РД410 и ЖРД РД0146.

Так как роторы водородных ТНА имеют высокую частоту вращения ротора, они, как правило, закритические: рабочая частота вращения выше одной или двух критических частот вращения. При этом возникают проблемы динамики ротора, связанные с обеспечением допустимых прогибов и нагрузок в опорах.

В КБХА разработана методология создания быстроходных роторов ТНА, которая включает [8]:

– расчетное исследование динамических характеристик ротора при работе на стационарных режимах;

– расчетное исследование нестационарных колебаний ротора при запуске и выключении двигателя;

– использование конструктивных мероприятий по обеспечению стабильности динамических характеристик ротора при многократных запусках и при его переборках;

– использование пластинчатых упруго-демпферных опор с высокой демпфирующей способностью; такие опоры для ТНА двигателя РД-0120 были разработаны совместно КБХА и КуАИ (ныне СГАУ им. С.П. Королева);

– использование в опорах ротора осевых пружин;

– балансировку ротора при рабочих частотах вращения на специальном вакуумном разгонно-балансировочном стенде (рис. 12).

При проектировании турбонасосных агрегатов ЖРД всегда возни­кает достаточно сложная инженерная задача по предотвращению всех нежелательных явлений, которые могут возникнуть в роторе при вращении. Одним из таких явлений является критическая частота вращения (КЧВ) ротора в зоне рабочих оборотов. КЧВ – частота, при которой наступает равенство центробежных сил ротора и сил упругости вала и резко возрастает амплитуда колебаний поверхностей ротора. В простейшем случае КЧВ совпадает с частотой собственных поперечных колебаний ротора, их называют главными критическими скоростями. При КЧВ вал ротора теряет изгибную жесткость, и даже малая сила может вызвать появление значительных прогибов вала и нагрузок в опорах. Для роторов турбонасосных агрегатов ЖРД запас по КЧВ – должен быть не менее 20 % (n_кр, n_р – критическая и рабочая частоты вращения).

Для быстроходных роторов водородных насосов, установленных на подшипники качения, жесткость опор соизмерима с жесткостью вала, и опоры вовлекаются в колебания. В общем случае пружина, имитирующая шарикоподшипниковую опору, имеет нелинейную характеристику. В некоторых случаях для смещения КЧВ из рабочего диапазона частот целесообразно идти не по пути ужесточения подшипниковых опор, а по пути введения в опоры дополнительных упругоподатливых элементов, обладающих определенным демпфированием, со значительным снижением жесткости опор. При этом могут быть реализованы следующие преимущества перед ротором без упругодемпферных элементов:

– самоцентрирование ротора за КЧВ;

– уменьшение прогибов вала и нагрузок на опоры при переходе через КЧВ;

– подавление самовозбуждающихся колебаний;

– локализация колебаний ротора.

В конструкциях водородных ТНА часто применяют относительно жесткий ротор, закрепленный на податливых опорах. При демпфировании в опорах с коэффициентом рассеяния   1 в роторе отсутствуют как нежелательные вибрации, так и «зависание» ротора на критических частотах. Высокое демпфирование в опорах, которым, например, обладают пластинчатые упругодемпферные опоры, снижает часть мощности, затрачиваемой на поддержание колебаний. Поэтому наличие демпфирования в опорах следует рассматривать как крайне полезное мероприятие, способствующее улучшению динамических характеристик ротора.

Как правило, критические скорости – дискретные значения скоростей, при которых возникают колебания с большой амплитудой. Однако, если ротор имеет нелинейные или периодически меняющиеся при его вращении параметры, могут возникнуть автоколебания, при которых возможно существование интервалов скоростей, в которых ротор работает неспокойно с большими амплитудами колебаний. Эти интервалы называют областями неустойчивости. При определенных условиях ротор ТНА может быть подвержен автоколебаниям в основном из-за газодинамических сил в турбине и гидродинамических сил в щелевых уплотнениях ротора. Характерно затягивание зоны автоколебаний в область меньших чисел оборотов при выбеге.

Если ротор имеет нелинейные параметры, то возможно существование целого ряда критических скоростей, которые, по принятой в нелинейной механике терминологии, называют субгармоническими, ультрагармоническими, ультрасубгармоническими и комбинационными резонансами. Это критические скорости второго порядка. В большинстве случаев критические скорости второго порядка неопасны.

При создании высокооборотных роторов возможно выполнение следующих видов расчетных и проектно-экспериментальных работ:

– расчетное определение критических частот вращения ротора в зависимости от жесткости опор, демпфирования в опорах, влияния уплотнений ротора [9];

– расчетное исследование динамических характеристик ротора при работе на стационарных режимах;

– расчетное исследование нестационарных колебаний ротора при запуске и выключении двигателя;

– проектирование ротора с использованием конструктивных мероприятий по обеспечению стабильности динамических характеристик;

– выбор и отработка оптимального способа изготовления роторных деталей;

– использование, при необходимости, упругодемпферных опор с высокой демпфирующей способностью [10];

– низкочастотная динамическая балансировка составных частей ротора;

– низкочастотная динамическая балансировка собранного ротора;

– балансировка ротора при рабочих частотах вращения [111];

– контроль виброскоростей и виброускорений на корпусе агрегата.

При создании водородных ТНА были достигнуты существенные успехи в технологии изготовления ТНА, к ним относятся:

– горячее изостатическое прессование сложнопрофильных деталей из никелевых и титановых сплавов;

– высокоточные литые заготовки корпусов и рабочих колес из стали и никелевых сплавов;

– обработка отливок в газостате;

– электроэрозионная обработка блисков колес турбин;

– фрезерование шнеков с пространственными лопатками и переменным радиусом втулки;

– балансировка и испытания роторов в рабочем диапазоне частот вращения;

– ультразвуковой контроль затяжки резьбовых соединений.

Основными преимуществами использования метода горячего изостатического прессования при изготовлении деталей агрегатов подачи ЖРД являются:

– возможность получения заготовок с формированием внутренних поверхностей сложной конфигурации без последующей механической обработки (рис. 13);

Рис. 12. Ротор в приспособлении на разгонно-балансировочном стенде

Рис. 13. Заготовки, полученные при горячем изостатическом прессовании

– получение деталей с высокой степенью сплошности, однородности и изотропности механических свойств материала [12];

– получение механических свойств, превосходящих свойства деформированного материала;

– высокий уровень коэффициента использования материала.

В свое время опыт КБХА по созданию ТНА для ЯРД РД-0410 использовался при разработке системы подачи ЖРД РД0120. В настоящее время КБХА приобретен значительный опыт при создании систем подачи водорода для ЖРД РД0146 и ГТНА для RL-10. Основные составляющие этого опыта:

– методика расчетно-экспериментальных исследований в обеспечение требуемого ресурса с учетом влияния водорода на прочностные характеристики материалов;

– экспериментальная база данных о характеристиках конструкционных материалов в среде водорода;

– технологии газостатического прессования деталей сложного профиля из никелевых и титановых сплавов;

– система мероприятий по обеспечению работоспособности гибких роторов;

– ультразвуковой контроль затяжки резьбовых соединений высоконагруженных фланцевых разъемов;

– методика отработки агрегатов в составе «холодного» двигателя.

Опыт КБХА является фундаментальной основой создания систем подачи водорода для современных жидкостных и ядерных ракетных двигателей.

Литература

1. Иванов А.В., Белоусов А.И., Дмитренко А.И. Турбонасосные агрегаты кислородно-водородных ЖРД. Монография. Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2011.

2. A. Dmitrenko, N. Zaitsev, A. Kravchenko, V. Pershin. Evolution of Liquid Roket Engine Turbopump Design. Propulsion in Space Transportation. 5^th Simposium International. Paris, 1996.

3. Белогуров А.И., Григоренко Л.Н., Рачук В.С. Ядерный ракетный двигатель РД0410 и ядерные энергодвигательные установки на его основе. Научно-технический юбилейный сборник. Воронеж: КБХА, 2001.

4. V. Rachuk, N. Titkov. RD-0146: The First LOX-LH2 Expander Cycle Liquid Rocket Engine in Russia. AIAA paper 2006-4904.

5. Y. Demyanenko, A. Dmitrenko, V. Rachuk, A. Shostak, A. Minick, R. Bracken, M. Buser. Single-Shaft Turbopumps in Liquid Rocket Engines. AIAA paper 2006-4377.

6. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1986.

7. Демьяненко Ю.В., Дмитренко А.И., Першин В.К., Рачук В.С. Водородные турбо-насосные агрегаты для подачи жидкого водорода в космических двигательных установках. Труды Международной конференции «Ядерная энергетика в космосе – 2005». М.: 2005.

8. Дмитренко А.И., Попов В.Н., Рудис М.А., Свистов В.Я. Динамика роторов водородных насосов турбонасосных агрегатов ЖРД. Труды пятого Международного аэрокосмического конгресса IAC’06. М.: 2006.

9. Патент 2138716, 1998. Уплотнение вала. Дмитренко А.И., Иванов А.В., Кравченко А.Г.

10. Патент 2099606, 1995. Упругодемферная опора ротора. Дмитренко А.И., Якубенко П.В.

11. Патент 2103783, 1998. Способ высокочастотной балансировки гибкого ротора. Дмитренко А.И., Попов В.Н.

12. Патент 2323808, 2005. Способ изготовления пространственных двухслойных конструкций из разнородных материалов (варианты). Дмитренко А.И., Кравченко А.Г., Мешков Н.К., Холодный В.И.

УДК 621.455(075)

Агрегаты системы питания кислородно-водородного двигателя РД0146

Демьяненко Ю.В. – КБХА, доктор техн. наук

Дмитренко А.И. – КБХА, канд. техн. наук

Иванов А.В. – КБХА, канд. техн. наук

Калитин И.И. – КБХА

Кравченко А.Г. – КБХА

Рачук В.С. – КБХА, доктор техн. наук

Приведены конструктивные схемы и основные параметры агрегатов системы питания двигателя РД0146 – первого ЖРД безгенераторной схемы с четырьмя турбонасосными агрегатами. Проведено сравнение с аналогичными агрегатами зарубежных двигателей безгенераторной схемы.

В настоящей статье рассмотрены агрегаты системы питания кислородно-водородного двигателя РД0146, выполненного по безгенераторной схеме, имеющего тягу 98 кН, давление в камере 8 МПа. Двигатель предназначен для верхних ступеней ракет-носителей и разгонных блоков, его разработка началась в 1997 году. Схема системы питания двигателя РД0146 приведена на рис. 1. Разработка двигателя, его изготовление, автономные испытания и испытания на рабочих компонентах топлива проводились в КБХА.

Рис. 1. Схема системы питания ЖРД РД0146: 1 – ТНА водорода; 2 – ТНА кислорода; 3 – БТНА водорода; 4 – БТНА кислорода; 5 – камера

Система питания для обеспечения максимальной экономичности кислородного и водородного насосов выполнена с двумя главными ТНА. Для обеспечения бескавитационной работы насосов ТНА в этом двигателе используются два бустерных турбонасосных агрегата. Такое же количество главных и бустерных турбонасосных агрегатов используется в кислородно-водородном ЖРД генераторной схемы SSME (США), использовавшемся в многоразовой транспортной космической системе Space Shuttle. Аналогичные схемы системы питания, но без БТНА применены в кислородно-водородных двигателях генераторной схемы Vulcain (Франция), LE-5 и LE-7 (Япония), YF-75 (Китай) и двигателе безгенераторной схемы Vinci (Франция). Таким образом, двигатель РД0146 является первым и на сегодня единственным ЖРД безгенераторной схемы с четырьмя турбонасосными агрегатами.

По отношению к агрегатам системы питания безгенераторная схема ЖРД характеризуется следующими особенностями [1]:

• низкая температура рабочего тела турбины;

• равномерное температурное поле газа на входе в турбину;

• низкие термические удары в конструкции турбины;

• низкие термические напряжения в зоне между насосом и турбиной;

• низкие термические напряжения в рабочих колесах турбины, связанные с утечками водорода из насоса в турбину;

• исключение возможности перегрева подшипников, расположенных рядом с турбиной, после выключения двигателя;

• улучшение условий работы уплотнений, разделяющих насос и турбину ТНА окислителя;

• отсутствие забросов температуры рабочего тела турбины при запуске и останове двигателя;

• отсутствие газогенератора с агрегатами его запуска и управления;

• пониженный уровень вибрационных нагрузок благодаря отсутствию в схеме двигателя одного из основных источников вибраций – газогенератора;

• отсутствие влаги в полостях турбины из-за того, что в составе рабочего тела турбины отсутствуют пары воды.

Кроме того, сокращаются сроки и стоимость отработки двигателя за счет возможности предварительной автономной отработки систем питания окислителя и горючего на натурных компонентах с приводом турбины ТНА газообразным водородом от систем стенда.

Основные параметры агрегатов системы питания двигателя РД0146 представлены в таблице 1.

Таблица 1
Наименование параметра	Значения параметров
	БТНАО	ТНАО	БТНАГ	ТНАГ
Давление, МПа: – на входе в насос – на выходе из насоса	0,21 0,48	0,45 12,73	0,2 0,49	0,47 26,25
Расход через насос, кг/с	18	20,3	3,129	3,126
Число ступеней насоса	1	1	1	2
КПД насоса	0,712	0,683	0,68	0,663
Давление на входе в турбину, МПа	12,4	23	8,8	20,3
Температура на входе в турбину, К	80	301	257	294
Расход через турбину, кг/с	2,176	2,7	0,06	2,7
Степень понижения давления на турбине	–	1,13	–	2,17
Число ступеней турбины	1	2	1	2
КПД турбины	0,279	0,68	0,169	0,69
Мощность турбины, кВт	6,25	306	18,68	1750
Частота вращения ротора, об/мин	6560	40600	25150	122400
Окружная скорость на наружном диаметре, м/с: – крыльчаток, – рабочих колес турбин	– –	166 201	– –	551 534
Быстроходность подшипников (dсрn), ммоб/мин	3,01·105	1,4·106	1,16·106	3,08·106
Масса агрегатов, кг	5,6	18,7	9,5	16,2

Применение в двигателе РД0146 двух главных турбонасосных агрегатов, по сравнению с традиционной для отечественных двигателей схемы двигателя с одним главным турбонасосным агрегатом, позволило:

– повысить энергетические характеристики насосов;

– уменьшить габариты и массу агрегатов;

– расширить возможности по оптимизации, настройке и форсированию параметров кислородного и водородного насосов;

– выполнить независимую автономную отработку главных турбонасосных агрегатов на рабочих компонентах;

– обеспечить рациональную компоновку двигателя за счет расположения турбонасосных агрегатов в местах подвода в двигатель кислорода и водорода.

Внешний вид ТНАГ и ТНАО двигателя РД0146 приведен на рис. 2 и 3.

В главных турбонасосных агрегатах применены центробежные насосы: в ТНАО – одноступенчатый шнекоцентробежный, в ТНАГ – двухступенчатый, первая ступень которого шнекоцентробежная, вторая – центробежная.

Привод ТНА осуществляется двухступенчатыми реактивными турбинами со ступенями давления, работающими на газообразном водороде. Схема питания турбин ТНА выбрана последовательной. Первой по потоку газа, поступающего из тракта охлаждения камеры сгорания, установлена турбина ТНАО. После турбины ТНАО газ поступает в турбину ТНАГ, а затем в головку камеры сгорания.

Рис. 2. Внешний вид ТНАГ	Рис. 3. Внешний вид ТНАО

Для обеспечения бескавитационной работы высокооборотных насосов главных ТНА при низких давлениях компонентов на входе в двигатель используются бустерные турбонасосные агрегаты, внешний вид которых приведен на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Внешний вид БТНАГ

Рис. 5. Внешний вид БТНАО

В БТНА применены осевые насосы со шнеками с профилированной втулкой.

Привод насоса БТНАО осуществляется осевой, активной, парциальной гидравлической турбиной, рабочее колесо которой закреплено на наружном диаметре шнека с помощью пайки. Рабочее тело турбины – кислород высокого давления, отбираемый из магистрали за насосом ТНАО. После рабочего колеса гидравлической турбины кислород поступает в специально спрофилированный сборник, а затем через перепускные отверстия сбрасывается в межлопаточную полость спрямляющего аппарата, где смешивается с потоком кислорода, поступающего из шнека.

Привод насоса БТНАГ осуществляется осевой, активной, парциальной газовой турбиной. Рабочим телом турбины служит газообразный водород, отбираемый после турбины ТНАГ. После турбины БТНАГ водород сбрасывается в окружающую среду через рулевое сопло двигателя. На режиме запуска двигателя производится раскрутка ротора БТНАГ за счет подачи гелия через специальное пусковое сопло на рабочее колесо турбины. После турбины гелий сбрасывается в окружающую среду через рулевое сопло двигателя.

При проектировании всех этих ТНА использовался основополагающий принцип: «Простота конструкции – основа надежности и низкой стоимости ТНА». Этот принцип реализуется следующими конструктивными мероприятиями:

– минимизация числа деталей, поступающих на сборку агрегата;

– минимизация количества сварных соединений при изготовлении;

– минимизация числа наружных разъемов;

– широкое использование литых заготовок;

– рациональное использование порошковых заготовок наиболее нагруженных деталей;

– адаптация конструкции к условиям производства;

– применение проверенных и отработанных конструктивных элементов.

При проектировании агрегатов системы питания двигателя РД0146 был использован опыт КБХА в создании агрегатов системы питания двигателей РД0110, РД0120, РД0124, РД0410 и др. Рассмотрим конструктивные схемы агрегатов системы питания двигателя РД0146.

На рис. 6 приведена конструктивная схема БТНАО. Бустерный турбонасосный агрегат двигателя РД0146 – турбошнековый, в нем рабочее колесо высокоперепадной парциальной гидравлической турбины установлено на наружном диаметре шнека. БТНА такого типа из-за простоты конструкции обладают высокой надежностью, содержат всего одну вращающуюся деталь – ротор, состоящий из соединенных между собой шнека и колеса турбины. В БТНА применен осевой лопаточный отвод.

На рис. 7 приведена конструктивная схема БТНАГ. Принципиальные отличия конструкции БТНАО от БТНАГ кислородно-водородных ЖРД связаны со свойствами рабочих тел. Так как при подаче жидкого водорода отвод рабочей жидкости после гидротурбины на выход насоса БТНА неприемлем, в водородных БТНА используют гидравлические или газовые турбины с изоляцией полости насоса от полости турбины. В БТНАГ двигателя РД0146 используется газовая осевая активная парциальная турбина. Для разделения полостей насоса и турбины использованы два щелевых уплотнения, разделенных дренажем. В качестве отвода насоса БТНА применен профилированный спиральный сборник.

Рис. 6. Конструктивная схема БТНАО	Рис. 7. Конструктивная схема БТНАГ

Конструктивная схема ТНАО приведена на рис. 8, внешний вид некоторых деталей и сборочных единиц ТНА – на рис. 9. Турбонасосный агрегат представляет собой единый блок, состоящий из двухступенчатой осевой турбины и одноступенчатого шнекоцентробежного насоса, разделенных системой уплотнений. Особенностью турбины является низкая степень понижения давления (~1,15). С целью снижения потерь сопловые аппараты турбины выполнены с меридиональным профилированием по периферии. Кислород после крыльчатки насоса поступает в спиральный сборник с коническим диффузором. Для компенсации неразгруженных осевых сил на запуске, останове и переходных режимах, а также сил, вызванных неточностями изготовления, в насосе применен автомат осевой разгрузки традиционной для КБХА схемы. Разделительное уплотнение между насосом и турбиной состоит из пакета щелевых уплотнений с подпружиненными плавающими кольцами, разделенными дренажами (два по линии газообразного водорода и один по линии кислорода). Промежуточная полость продувается нейтральным газом – гелием. Дополнительно со стороны насоса установлено динамическое уплотнение (импеллер), обеспечивающее прокачку кислорода через подшипник и снижение давления кислорода со стороны разделительного уплотнения до давления, равного давлению насыщенных паров. Охлаждение подшипника со стороны насоса осуществляется жидким кислородом, со стороны турбины – газообразным водородом, поступающим из-за соплового аппарата первой ступени турбины. Ротор турбонасосного агрегата жесткий – критическая частота вращения выше рабочей. В качестве уплотнений насоса и турбины используются щелевые уплотнения с подпружиненными плавающими кольцами, причем уплотнения насоса для повышения стойкости к возгоранию выполнены с серебряными вставками.

Рис. 8. Конструктивная схема ТНАО

Рис. 9. Детали ТНАО

Рис. 10. Конструктивная схема ТНАГ

Конструктивная схема ТНАГ приведена на рис. 10. Турбонасосный агрегат выполнен в виде единого блока, состоящего из осевой двухступенчатой турбины и двухступенчатого шнекоцентробежного насоса. Турбина выполнена с консольным расположением рабочих колес относительно опор ротора. Между опорами ротора расположены крыльчатки первой и второй ступеней, крыльчатка первой ступени для улучшения кавитационных характеристик выполнена с предвключенным шнеком. Основными особенностями ТНАГ являются его малые габариты и высокая частота вращения ротора. Применение двухступенчатого насоса обусловлено необходимостью уменьшения окружной скорости на наружном диаметре крыльчатки и увеличения экономичности насоса. Рабочим телом турбины является газообразный водород, поступающий после турбины ТНАО. Турбина имеет радиально-кольцевой подвод и осевой отвод рабочего тела. Схема и конструкция подвода и отвода рабочего тела выбрана из условия обеспечения разгрузки ротора от осевых сил и максимальной экономичности турбины. Отвод водорода после крыльчатки первой ступени и подвод его на вход в крыльчатку второй ступени обеспечиваются обратным направляющим аппаратом. На выходе из насоса для снижения радиальных сил, действующих на ротор, установлен двухспиральный сборник с коническим диффузором. В проточной части насоса и турбины применены щелевые уплотнения с подпружиненными плавающими кольцами. Баланс осевых сил на роторе обеспечен выбором диаметров уплотнений. На переходных режимах работы неуравновешенную осевую силу компенсирует автомат осевой разгрузки, расположенный на основном диске крыльчатки первой ступени. Ротор ТНА (рис. 11) – гибкий. Рабочий диапазон частот вращения ротора находится между второй и третьей критическими частотами вращения. Для обеспечения работоспособности ротора выполняется его балансировка в диапазоне рабочих частот вращения с контролем нагрузок на опоры и амплитуд перемещения контрольных поверхностей. Балансировка выполняется в составе специального приспособления на разгонно-балансировочном стенде фирмы Schenck
(рис. 12). Ротор установлен на двух опорах с упругодемпферными элементами (рис. 13). В опорах применены сдвоенные радиальные однорядные шарикоподшипники с коэффициентом быстроходности (произведением частоты вращения ротора на средний диаметр подшипника) 3,08·10⁶ мм·об/мин. Конструкция высокоскоростных подшипников была отработана на модельных и рабочих компонентах в составе специального имитатора, их работоспособность подтверждена испытаниями в составе двигателя. В конструкции ТНА широко используются детали, изготовленные из титановых сплавов методом порошковой металлургии (рис. 14): крыльчатки, рабочие колеса первой и второй ступеней турбины, обратный направляющий аппарат.

Рис. 11. Ротор ТНАГ ЖРД РД0146	Рис. 12. Ротор ТНАГ на разгонно-балансировочном стенде
Рис. 13. Упругодемпферные элементы ТНАГ	Рис. 14. Детали ТНАГ, изготовленные методом порошковой металлургии

Сравним основные параметры работоспособности агрегатов системы питания двигателя РД0146 с аналогичными параметрами для двигателей безгенераторной схемы RL10В-2-1 (США, тяга 110,1 кН), VINCY (Франция, тяга 180 кН), LE-5A, LE-5B (Япония, тяга 122 и 137 кН соответственно). Так как наиболее нагруженным агрегатом, во многом определяющим экономичность и работоспособность всей системы питания, является ТНА горючего, основное внимание при проведении сравнения будет уделено ему. Для сравнения выбраны следующие параметры:

– давление на выходе водородного насоса;

– давление на выходе кислородного насоса;

– давление на входе в турбину;

– отношение давления на выходе водородного насоса к давлению в камере;

– отношение давления на выходе кислородного насоса к давлению в камере;

– перепад давлений, создаваемый одной ступенью водородного насоса;

– окружная скорость на наружном диаметре крыльчатки водородного насоса;

– окружная скорость на среднем диаметре турбины;

– быстроходность подшипников на среднем диаметре.

Отношение давления на выходе водородного и кислородного насосов к давлению в камере характеризует совершенство пневмогидравлической схемы двигателя, так как в интегральном виде объединяет все гидравлические потери и сопротивления в трактах двигателя от выхода насоса до камеры сгорания.

Сравнение относительных параметров работоспособности, приведенных к соответствующим параметрам агрегатов системы питания двигателя РД0146, представлено на рис. 15.

Рис. 15. Сравнение относительных параметров работоспособности агрегатов системы питания

Сравнение параметров работоспособности агрегатов систем питания кислородно-водородных ЖРД безгенераторной схемы показывает, что технический уровень системы питания двигателя РД0146 находится на уровне мировых достижений, а по некоторым параметрам их превосходит.

Основные параметры и характеристики агрегатов системы питания двигателя РД0146, их работоспособность прошли подтверждение в процессе проведения автономных испытаний агрегатов на модельных компонентах, испытаний на рабочих компонентах в составе специальных установок и двигателя.

В настоящее время КБХА приобретен значительный опыт при создании систем подачи водорода для двигателя РД0146. Основные составляющие этого опыта:

• методика расчетно-экспериментальных исследований в обеспечение требуемого ресурса с учетом влияния водорода на прочностные характеристики материалов;

• экспериментальная база данных о характеристиках конструкционных материалов в среде водорода;

• технологии газостатического прессования деталей сложного профиля из никелевых и титановых сплавов;

• система мероприятий по обеспечению работоспособности гибких роторов;

• методика отработки агрегатов в составе «холодного» двигателя.

Опыт КБХА является фундаментальной основой создания систем подачи водорода для современных жидкостных и ядерных ракетных двигателей.

Литература

1. Иванов А.В., Белоусов А.И., Дмитренко А.И. Турбонасосные агрегаты кислородно-водородных ЖРД. Монография. Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2011.

УДК 621.675

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СВОБОДНЫХ ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ

И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ КАВИТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ БТНА

НА ЗАПУСКЕ КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ РД0146

Азовский А.А. – КБХА

Демьяненко Ю.В. – КБХА, доктор техн. наук

Калитин И.И. – КБХА

Першин В.К. – КБХА

Хорощенко И.А. – КБХА

Приведен анализ результатов эксперимента по определению влияния свободных газовых включений в перекачиваемой жидкости на работу бустерного турбонасосного агрегата (БТНА) ЖРД при малых расходах, а также дана оценка положительного эффекта от введения байпасной линии.

Одним из основных направлений повышения эффективности современных и перспективных ЖРД является максимально возможное снижение давления в баках компонентов. Это позволяет существенно снизить массу двигательной установки и, таким образом, увеличить полезную нагрузку ракеты-носителя. Однако снижение давления в баке влечет за собой повышенные требования к кавитационной устойчивости системы подачи. Особенно жесткими эти требования становятся на стадии запуска, когда расход через насос БТНА близок к нулю и, следовательно, очень малы значения расхода, приведенного к частоте вращения ротора, что ухудшает кавитационную стойкость насоса БТНА по сравнению с номинальным режимом. Кроме этого, наличие свободных газовых включений в жидкости при малых расходах также ухудшает кавитационную ситуацию в насосе БТНА.

Таким образом, задача обеспечения работоспособности БТНА на запуске выглядит достаточно сложной. В данной ситуации хорошим выходом может стать применение байпасной (обводной) линии, которая позволила бы подавать достаточное для устойчивой работы БТНА количество жидкости на вход насоса. Кроме того, увеличение расхода через насос на запуске позволит более корректно оценивать влияние свободных газовых включений на кавитационную устойчивость БТНА.

В 2010 году в КБХА была предпринята попытка экспериментально определить влияние свободных газовых включений на кавитационную характеристику БТНА. Для эксперимента использовался БТНА горючего двигателя РД0146 с приводом от собственной газовой турбины. Режимы испытаний рассчитывались на исходные данные для БТНА окислителя двигателя РД0146Д для РБ КВТК. Целью испытаний являлось определение кавитационных характеристик БТНА при подаче свободного газа на вход методом вдува в широком диапазоне расхода рабочей жидкости. Испытания предполагалось проводить при пяти различных значениях расхода рабочей жидкости через насос (от ~110 до ~10 % от номинального расхода), однако в последствии от испытаний на режиме ~ 10 % от номинального отказались. На каждом режиме по расходу жидкости подавалось пять различных расходов воздуха, соответствующих величинам относительного объемного газосодержания от 0 до 18,5 %.

Расход воздуха, необходимый для имитации заданного газосодержания, определялся по следующей методике [1].

Рассчитывалась величина относительного объемного газосодержания по формуле

, (1)

где	Qг, Qж – объемные расходы газа и жидкости соответственно;
ΔPсопр – сопротивление участка магистрали между входом в двигатель и входом в бустерный насос;
– парциальное давление насыщения компонента топлива газом;
– минимальное превышение входного давления насоса над давлением насыщенных паров компонента;
fо – удельный объем растворенного газа, равный отношению объема, который занял бы этот газ в нерастворенном состоянии при текущих значениях давления P и температуры Т, к объему жидкости.

Расчетная зависимость f_o = f(T) для гелия, растворенного в жидком кислороде, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Изменение удельного объема растворенного в кислороде гелия в зависимости от температуры жидкости

Далее по полученным значениям относительного объемного газосодержания и расходу жидкости через насос определялся массовый расход вдуваемого воздуха.

По результатам обработки экспериментальных данных получен ряд приведенных ниже зависимостей.

На рис. 2 представлены кривые, демонстрирующие зависимость критического кавитационного запаса от режима испытаний по расчетному значению относительного объемного газосодержания Δh_кр = f(δ_расч). Очевидно, что с ростом количества подаваемого на вход насоса воздуха его кавитационная устойчивость должна снижаться. В зависимостях, показанных на рис. 2, эта тенденция прослеживается довольно четко.

На рис. 3 и 4 изображены кавитационные характеристики насоса исследуемого БТНА. На рис. 3 характеристики показаны в виде зависимостей Δh_кр = f(Q_н) – критического кавитационного запаса от расхода через насос БТНА, на рис. 4 – универсальные кавитационные характеристики для исследуемых режимов по относительному объемному газосодержанию в виде Δh_кр/n² = f(Q/n).

Представленные универсальные кавитационные характеристики имеют характерный для насосов бустерных агрегатов вид и по Δh_кр/n² располагаются в зависимости от режима по относительному объемному газосодержанию δ, %. Универсальная кавитационная характеристика для режима, рассчитанного при δ = 0 %, соответствует наименьшим значениям Δh_кр/n², при δ = 18,5 % значения Δh_кр/n² наибольшие.

Рис. 2. Зависимость Δh_кр = f(δ_расч) – критического кавитационного запаса от режима испытаний по расчетному значению относительного объемного газосодержания

Рис. 3. Зависимость Δh_кр = f(Q_н) – критического кавитационного запаса от расхода через насос БТНА по результатам испытаний

Рис. 4. Универсальная кавитационная характеристика в виде зависимости Δh_кр/n² = f(Q_н/n) относительного критического кавитационного запаса от относительного расхода через насос БТНАпо результатам испытаний

Далее представлены результаты расчета по возможности снижения входного давления на запуске при организации перепускной линии с выхода БТНА на вход, что позволит обеспечить некоторый расход рабочей среды через насос БТНА.

В расчете будем исходить из предположения, что на пусковом режиме должен обеспечиваться относительный расход через насос, равный половине номинального: Q/n = 0,5(Q/n)_ном. Так как до окончательного расчета двигателя неизвестно потребное значение повышения давления в БТНА P_н на запуске, расчеты проводились при трех значениях P_н: 1; 1,5 и 2 кгс/см². Целью расчетов являлось определение минимального значения превышения давления на входе в двигатель над давлением насыщенных паров P_мин с учетом газонасыщения компонента и необходимого расхода через перепускную линию для указанных значений повышения давления в насосе.

Методика расчета заключается в следующем:

1. При принятом значении Q/n для каждого значения P_н с помощью напорной характеристики БТНА определяется частота вращения ротора БТНА, необходимая для создания требуемого P_н.

2. С использованием полученной по результатам проведенных испытаний универсальной кавитационной характеристики насоса БТНА для режима без подпуска свободного воздуха (δ_расч = 0), находится начальное значение P_мин из условия 50 % запаса над критическим.

3. По формуле (1) определяются значения относительного объемного газосодержания, соответствующие P_мин.

4. В соответствии с полученными по результатам испытаний универсальными кавитационными характеристиками для различных режимов по относительному объемному газосодержанию можно построить зависимость Δh_кр/n² = f(δ_расч), с помощью которой корректируется значение P_мин (рис. 5).

5. Методом последовательных приближений достигается сходимость по относительному объемному газосодержанию δ.

Полученные результаты приведены в таблице.

n, об/мин	Q/n107	Нрасч, м	Рвых	Qн, л/с	h/n2106	hкр, м	hмин, м	Рмин, кгс/см2	, %
3167	6,0	8,831	1,0	1,900	0,047	0,471	0,707	0,084	29,012
3879	6,0	13,251	1,5	2,327	0,041	0,614	0,920	0,109	21,909
4479	6,0	17,668	2,0	2,687	0,037	0,744	1,116	0,132	17,796

Здесь Q_н – потребный расход через перепускную линию.

Рис. 5. Зависимость относительного критического кавитационного запаса от относительного объемного газосодержания по результатам испытаний

На основании проведенных расчетов можно сделать вывод, что при организации перепуска компонента с выхода БТНА на вход минимальное превышение давления на входе в двигатель над давлением насыщенных паров компонента может иметь достаточно низкие значения, соответствующие требованиям к системам подачи многих современных ЖРД.

УДК 629.7.036.54-63

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ СХЕМ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ТОПЛИВОМ ДВИГАТЕЛЯ РД0146 БЕЗГЕНЕРАТОРНОЙ СХЕМЫ

Демьяненко Ю.В. – КБХА, доктор техн. наук

Дмитренко А.И. – КБХА, кандидат техн. наук

Першин В.К. – КБХА

Приводится ряд схем системы подачи двигателя РД0146.

Несмотря на то что двигатель РД0146 прошёл огневые испытания, дискуссии по выбору схемы ТНАГ с двухступенчатым водородным насосом продолжаются. Основанием для этого является частота вращения ротора – 123000 об/мин, создающая проблемы подтверждения работоспособности шарикоподшипников при работе в течение заданного ресурса. При этой частоте вращения величина быстроходности подшипника составляет D_ср·n = 3,075·10⁶·мм·об/мин, что превышает достигнутые значения. В связи с этим при изменении параметров ТНАГ, связанных, например, с изменением схемы двигателя или с его форсированием по тяге, возникает вопрос и об изменении схемы ТНАГ.

Целью работы является поиск схемы, максимально понижающей напряжённость существующей схемы с двухступенчатым водородным насосом без снижения выходных параметров, определяющих экономичность двигателя. Но вначале необходимо понять причины, побудившие принять существующую схему.

Обоснование выбора частоты вращения ротора водородного ТНА двигателя РД0146

Принятые для проектирования параметры двигателя (давление в камере сгорания Рк = 80 кгс/см², сопротивление охлаждающего тракта и др.) обусловили давление на выходе из водородного насоса, равное 264,7 кгс/см². Баланс мощностей насоса и турбины ТНАГ при этих условиях мог реализоваться при суммарной экономичности, определяемой произведением КПД насоса и турбины, равной 0,457:

где – КПД насоса;

– КПД турбины;

– массовый расход через насос, кг/с;

m_Т – массовый расход через турбину, кг/с;

– напор насоса, Дж/кг;

– адиабатическая работа турбины, Дж/кг.

Одним из основных параметров, определяющих тип насоса и его экономичность, является коэффициент быстроходности:

где – частота вращения, об/мин;

– объёмный расход через насос, м³/с;

– напор ступени насоса, м.

Опыт проектирования и испытаний водородных насосов двигателей РД0410 и РД0120 показывает, что характерной величиной коэффициента быстроходности для водородного насоса является значение 50-70. С ростом частоты вращения ротора и количества ступеней увеличивается коэффициент быстроходности насоса и повышается его экономичность.

Двухступенчатый водородный насос ТНАГ РД0146 при частоте вращения 123230 об/мин имеет коэффициент быстроходности 67. Этому значению соответствует КПД 0,663. Для сохранения КПД на этом же уровне при снижении частоты вращения ротора до 91000 об/мин требуется увеличить количество ступеней до трех. При указанной частоте вращения обеспечивается быстроходность подшипника D_ср·n = 2,275·10⁶·мм·об/мин, соответствующая достигнутому в КБХА уровню. Но при этом возникают проблемы, связанные с изменением динамики ротора и снижением экономичности турбины.

Экономичность двухступенчатой турбины ТНАГ при частоте вращения 123230 об/мин составляет 0,69. При уменьшении частоты вращения для сохранения оптимального положения рабочей точки на характеристике необходимо сохранить значение окружной скорости турбины путем увеличения ее диаметра. При этом происходит уменьшение высот сопловых и рабочих лопаток, приводящее к снижению КПД. При подробной проработке вопроса о возможности снижения частоты вращения ротора ТНАГ двигателя РД0146 было установлено, что при частоте вращения 67000 об/мин применение даже трехступенчатой турбины со ступенями давления не позволяет достичь уровня КПД η_Т = 0,69.

Экономичность двухступенчатого водородного насоса и двухступенчатой турбины ТНАГ от частоты вращения ротора иллюстрируется зависимостью на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость КПД турбины, насоса ТНА горючего и суммарного КПД ТНА от частоты вращения ротора

Таким образом, для обеспечения требуемой экономичности водородного ТНАГ двигателя РД0146 при заданных для проектирования параметрах двигателя и принятых схемах двухступенчатого насоса и двухступенчатой турбины частота вращения ротора должна быть равной 123230 об/мин.

Другие схемы системы подачи двигателя РД0146

В исходном варианте ТНАГ (схема 1) – периферийный диаметр крыльчатки насоса D₂ = 85 мм. При частоте вращения ротора 123000 об/мин окружная скорость составляет U₂ = 547 м/с, что позволяет достичь в двухступенчатом варианте насоса давление на выходе P₂ = 264,7 кгс/см². При этом достигается простота конструкции, но сохраняется высокая напряжённость крыльчаток.

Модификацией схемы 1 можно считать вариант с увеличенным диаметром крыльчаток до D₂ = 93,2 мм (схема 2), который при допустимой окружной скорости U₂ = 600 м/с и сохранении давления на выходе P₂ = 264,7 кгс/см² позволяет снизить частоту вращения до 112000 об/мин. Этот вариант, кроме снижения частоты вращения на 11000 об/мин и уменьшения быстроходности подшипника до значения D_ср·n = 2,275·10⁶·мм·об/мин, не добавляет преимуществ по сравнению со схемой 1.

Схемы системы питания двигателя 1 и 2 были рассмотрены с традиционной схемой камеры.

В порядке повышения экономичности двигателя была предложена схема двигателя с кольцевой камерой и тарельчатым соплом. В связи с этим были предложены и другие нетрадиционные схемы системы подачи.

При частоте вращения 123000 об/мин и D₂ = 93,2 мм (схема 3) за счёт повышения окружной скорости на периферии крыльчатки (U₂ = 600 м/с) возможно существенно увеличить давление на выходе из насоса до 316,1 кгс/см² (на 51,4 кгс/см²). В этой схеме по сравнению с рассмотренными ранее (схемы 1, 2) и последующими (схемы 4, 5) ТНАО остаётся исходным. Как и в схеме 2, в схеме 3 высокую напряжённость крыльчатки насоса вряд ли можно считать преимуществом по сравнению с исходной схемой 1.

В схемах 4, 5 используется дополнительный водородный насос, соединенный с валом ТНАО. При частоте вращения 40000 об/мин развиваемый этим водородным насосом напор составляет 39,2 кгс/см², что в сочетании с последовательно подключённым водородным насосом ТНАГ РД0146 с частотой вращения 123000 об/мин и увеличенным диаметром крыльчаток D₂ = 93,2 мм для схемы 4 даёт суммарную прибавку к давлению на выходе 90,6 кгс/см² и 78,4 кгс/см² – с диаметром крыльчатки D₂ = 85 мм для схемы 5. В этих схемах кислородный насос соединяется с водородным насосом через рессору.

Рассмотренные схемы и критерии сравнения показаны в таблице 1.

Проведенный обзор возможных схем системы подачи сделан поверхностно, без учёта некоторых принципиальных моментов, которые могут привести к отказу от той или иной схемы. В то же время этот обзор показывает, что пока нет однозначных алгоритмов, определяющих приоритетность того или иного критерия сравнения. При разработке двигателя приоритет был отдан достижению высокого давления в камере. При этом как решаемая проблема была выделена задача отработки подшипника водородного насоса с быстроходностью D_ср·n ≈ 3·10⁶·мм·об/мин. С такой быстроходностью отработаны подшипники для водородных насосов в США, Франции и Японии. В КБЭМ применительно к двигателям РД100 и РД171 отработаны подшипники типоразмера 224 с быстроходностью D_ср·n ≈ 3·10⁶·мм·об/мин в имитаторах на кислороде. При отработке было испытано 120 подшипников 30-ти модификаций. Проведенные предварительные испытания подшипников двигателя РД0146 показали, что проблема отработки подшипников может быть решена при гораздо меньшем объеме испытаний. Нужно преодолеть психологический барьер в отношении быстроходности подшипников и вести планомерную их отработку.

Таблица 1.

Вариант системы подачи
Обычная камера		Тарельчатая камера
Схема № 1	Схема № 2	Схема № 3	Схема № 4	Схема № 5
ТНАГ РД0146 n=123000 об/мин, D2 = 85 мм, U2 = 547 м/с	ТНАГ РД0146 n = 112000 об/мин, D2 = 93.2 мм, U2 = 600 м/с	ТНАГ РД0146 n=123000 об/мин D2 = 93.2 мм, U2 = 600 м/с	ТНАГ РД0146 без шнека n=123000 об/мин, D2 = 93.2 мм, U2 = 600 м/с	ТНАГ РД0146 без шнека, n=123000 об/мин, D2 = 85 мм U2 = 547 м/с
Т НАО РД0146	ТНАО РД0146	ТНАО РД0146	Одновальный ТНА с кислородным насосом РД0146 и с дополнительным водородным насосом, n = 40000 об/мин, D2 = 137 мм	Одновальный ТНА с кислородным насосом РД0146 и с дополнительным двухступенчатым водородным насосом, n = 40000 об/мин, D2 = 137 мм
ёё

Продолжение таблицы 1

Вариант системы подачи
Критерии сравнения	Обычная камера		Тарельчатая камера
	Схема № 1	Схема № 2	Схема № 3	Схема № 4	Схема № 5
1. Простота конструкции, трудоемкость и стоимость изготовления	+	+	+	–	–
2. Частота вращения ТНАГ	–	+ Снижение оборотов на ~11000 об/мин	–	–	–
3 . Напряженность крыльчаток ТНАГ	+	+	–	–	+
4. Повышение давления на выходе ТНАГ, бар	–	–	+ 51.4	+++ 51.4 + 39.2= 90.6	++ 78.4
5. Давление на выходе из насоса ТНАГ, бар	264.7	264.7	316.1	406.7	343.1
6. Повышение антикавитационной устойчивости	–	–	–	+	+
7. Снижение напора БТНАГ	–	–	–	+	+
8. Возможность исключения БТНАГ	–	–	–	+	+
9. Возможность использования гидротурбины в БТНАГ	–	–	–	+	+

УДК 621.82:629.7.036.54-63

ОБЗОР И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ АДИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ

ПОДШИПНИКОВ ВОДОРОДНОГО ТНА ДВИГАТЕЛЯ РД0146

Глушко И.Н. – КБХА

Демьяненко Ю.В. – КБХА, доктор техн. наук

Дмитренко А.И. – КБХА, канд. техн. наук

Кравченко А.Г. – КБХА

Шостак А.В. – КБХА, канд. техн. наук

Изложены основные технические проблемы, возникшие в процессе отработки малогабаритных высокоскоростных подшипников для водородного ТНА кислородно-водородного двигателя РД0146, и пути их решения.

При создании кислородно-водородных ЖРД тягой от 4 до 15 тс, предназначенных для верхних ступеней РН и разгонных блоков, основные трудности возникают при отработке ТНА подачи жидкого водорода. Опыт отечественного и мирового двигателестроения показывает, что оптимизация проектных параметров таких двигателей, направленная на улучшение удельных энергомассовых характеристик, приводит, как правило, к росту частоты вращения ротора водородного ТНА, которая может достигать 100000-150000 об/мин. Показатель быстроходности подшипников К=Дср·n, характеризующий степень напряженности подшипниковых опор ротора, достигает значения

К=Дср·n=(3,0-4,0)10⁶ мм·об/мин.

Опыт доводки водородных ТНА двигателей РД0120 и РД0410 разработки КБХА показал, что при величине коэффициента быстроходности подшипников К=(2,0-2,1)10⁶ мм·об/мин и К=(2,2-2,3)10⁶ мм·об/мин соответственно на подшипниках проявляется характерный дефект – местный односторонний радиальный износ сепаратора по центрирующей поверхности, приводящий к ослаблению конструкции сепаратора с последующим его разрушением, причем было отмечено более сильное влияние этого дефекта на подшипниках меньшей размерности. Так, износ сепаратора на подшипниках 35-190209Ю1 глубиной до 1,5 мм не приводил к аварийным ситуациям и был введен в КД как допустимое состояние матчасти. На подшипниках размерности 203 (РД0410) радиальный износ сепаратора приводил к его разрушению и заклиниванию подшипника. Наработки подшипников в водородных агрегатах разработки КБХА приведены в таблице 1.

Таблица 1

Обозначение двигателя	Типоразмер подшипника	Температура водорода, К	Расход через подшипник, г/с	Частота вращения, об/мин	Скоростной параметр подшипника, ммоб/мин	Наработка, с
РД0120	209 (45х85х19)	20,8 54,2	489 236	32080	2,08106	4070 за 6-13 включений
РД0410	204 (20х47х14)	47	2-30	65700	2,2106	13360 за 5-8 включений
РД0146	202 (15х35х11)	22 50	30 27	122400	3,07106	547 за 5 включений

Сравнение коэффициентов быстроходности подшипников водородных ТНА представлено на рис. 1.

Разрабатываемый КБХА кислородно-водородный двигатель РД0146 является типичным представителем ЖРД нового поколения. Одной из основных проблем создания такого двигателя является обеспечение требуемого ресурса подшипниковых опор ротора водородного ТНА (рис. 2).

Рис. 1. Коэффициенты быстроходности подшипников водородных ТНА

Рис. 2. Опоры ротора ТНАГ РД0146:

1, 2 – подшипники; 3, 4 – упругодемпферные опоры; 5 – плавающее кольцо;

6 – регулируемый зазор автомата осевой разгрузки ротора