Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана

Пояснительная записка к курсовому

проекту по дисциплине:

«ТЕОРИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ»

Руководитель: Леонтьев С.Н._______________

Студент: Касаткин Д.А.____________________

Группа: РКТ5-81

Кафедра «Ракетные двигатели»

Москва 2012г.

Оглавление

Описание ТНА 3

Исходные данные 8

1.Расчет баланса мощностей 8

2.Расчет насоса окислителя 9

Шнек и вход в центрнобежное колесо: 10

Поверочный кавитационный расчет 13

Размеры центробежного колеса 13

Подвод насоса – входной патрубок 14

Спиральный подвод 14

Потери, мощность и КПД насоса 15

3.Расчет насоса горючего 17

Шнек и вход в центрнобежное колесо: 17

Поверочный кавитационный расчет 20

Размеры центробежного колеса 20

Подвод насоса - входной патрубок 21

Потери, мощность и КПД насоса 22

4.Расчет турбины ТНА 24

1.Исходные данные 24

2.Рассчитываемые и выбираемые величины 25

а)Определение потребного расхода газа: 25

б)Параметры потока в зазоре на выходе из соплового аппарата: 26

в)Определение размеров соплового аппарата состоящего из конических осесимметричных сопел: 27

г)Определение параметров решетки колеса: 27

д)Работа, мощность и КПД турбины 29

5.НИРС 30

a)Определение параметров решетки направляющего аппарата: 30

б)Определение параметров решетки колеса: 31

в)Работа, мощность и КПД турбины 33

6.Расчет и построение энергетических характеристик 34

7.Расчет вала на критическую частоту вращения 34

8.Расчет диска турбины на прочность 35

Список литературы 36

Приложение №1 37

Приложение №2 37

Приложение №3 38

Приложение №4 45

Описание тна

ТНА включает в себя газовую турбину, насосы горючего (НДМГ) и окислителя (АК-27И). Турбина работает на газе собственных компо­нентов.

Ротор ТНА одновальный, двухопорный, с симметричным располо­жением насосов и подшипников относительно диска турбины. Располо­жение колес насосов по отношению к подшипниковым опорам — кон­сольное. Ротор установлен на двух самоустанавливающихся подшипни­ках. Осевые усилия воспринимает шариковый подшипник, установленный в корпусе насоса горючего. Подшипник со стороны насоса окисли­теля в осевом направлении не фиксирован, воспринимает только радиальные нагрузки.

Смазка и охлаждение подшипников осуществлены основными ком­понентами двигательной установки.

Разделение жидкой и газовой полостей насосов осуществлено им­пеллерами и манжетами, завальцованными в корпус турбины. Сухой вес ТНА — 8,2 кг.

Турбина

Одноступенчатая осевая активная турбина состоит из корпуса с сопловым аппаратом, выхлопного аппарата и рабочего колеса с валом.

Корпус турбины выполнен ковкой из стали и конструктивно состоит из двух фасонных втулок и имеющих развитые конусные фланцы. Одновременно фасонные втулки являются частью корпусов на­сосов.

К левому конусному фланцу корпуса турбины по его наружному диаметру приварен сопловой аппарат турбины. По торцевым поверхностям фасонных втулок со стороны турбины приварены корпуса манжетных уплотнений.

К правой фасонной втулке корпуса турбины по наружному диа­метру приварен выхлопной аппарат , выполненный с венцом выхлопных лопаток.

К венцу приварен выхлопной коллектор, заканчивающийся цилинд­рическим выхлопным патрубком, к которому приваривается выхлопная труба.

Выхлопной коллектор выполнен из двух штампованных половин, сваренных между собой.

Диск турбины выполнен штамповкой совместно с цапфами, кото­рые образуют вместе с диском вал ТНА.

Несоосность резьбовых валиков с цапфами диска допускается в пределах 0,015 мм.

В цапфы диска запрессованы два радиальных штифта для фиксации в окружном направлении двух импеллерных уплотнений.

Насос горючего

Насос горючего состоит из корпуса с улиткой, рабочего колеса с осевым шнеком и узлов уплотнений.

Корпус насоса горючего изготовлен из стали ковкой с последующей механической обработкой. Конструктивно он представляет фасонную втулку с развитым конусным фланцем с внешней стороны ее. По наружной поверхности корпус усилен четырьмя ребрами жесткости. По наружному цилиндрическому пояску конусного фланца корпуса приварена улитка насоса. По внутреннему ци­линдрическому пояску конусного фланца нарезана резьба под гайку для образования плавающего уплотнения и фиксации опорного подшипника ТНА. Над цилиндрической частью корпуса насоса, между двумя ребрами жесткости, в двух взаимно диаметральных плоскостях приварены два коллектора для организации охлаждения манжетного уплотнения.

Корпус улитки насоса выполнен из стали с приваренным к нему диффузором.

Улитка спрофилирована переменным радиусом при постоянной ши­рине канала. К корпусу улитки с помощью гайки прикреплен конус­ный фланец.

Рабочее колесо представляет собой единый узел, состоящий из центробежного колеса и осевого шнека.

Центробежное колесо насоса горючего выполнено из алюминиевого сплава. Закрытые каналы колеса образованы передней крышкой, которая припаяна к лопаткам крыльчатки с помощью силуминового припоя.

Для повышения кавитационной устойчивости центробежного коле­са насоса на входе в него установлен двухзаходный шнек выполненный из алюминиевого сплава. Имеет общею конструкцию со ступицей насоса. В осевом направлении шнек фиксирован гайкой обтекаемой формы, установленной на резьбовом конце валика.

Уплотнения.

Для уменьшения перетекания компонента из полости высокого дав­ления насоса в полости пониженных давлений с обеих сторон колеса насоса предусмотрены плавающие самоустанавливающиеся стальные кольца. Во время работы ТНА они под действием перепада давления прижимаются к опорным стальным кольцам и ,запрессован­ным в корпус насоса. Плавающие кольца в осевом направлении фик­сированы гайками.

Со стороны турбины уплотнение насоса осуществлено манжетным узлом уплотнения.

Просочившийся через плавающее уплотнение с левой стороны крыльчатки компонент сразу поступает обратно на вход в насос. Ком­понент, просочившийся через плавающее уплотнение с правой стороны крыльчатки, протекает через подшипник, осуществляя охлаждение и смазку его, и отводится в полость импеллерного уплотнения, откуда по щелевому каналу попадает в верхний коллектор системы охлаждения манжетного уплотнительного узла.

Из верхнего коллектора по трем сверлениям диаметром 3,5 мм в верхней части фасонной втулки компонент попадает в кольцевую по­лость манжетного уплотнения. Протекая по кольцевой полости, компонент охлаждает фасонную втулку и создает нормальный темпера­турный режим для работы манжет.

Из кольцевой полости уплотнения по трем сверлениям (также диа­метром 3,5 мм каждое) в нижней части фасонной втулки компонент вы­текает в нижний коллектор системы охлаждения манжет, откуда по внешнему трубопроводу отводится на вход в насос. В корпус манжетного уплотнения вставлены две манжеты. Со сто­роны газовой стенки установлена фторопластовая манжета. Со стороны импеллера — резиновая.

Манжета из фторопласта защищает резиновую от воздействия го­рячих газов турбины. Посажена она на цапфу с натягом. Давление ком­понента перед манжетами при работе ТНА устанавливается (при испы­таниях и доводочных работах) всегда заведомо больше давления газа для создания нормальных условий их работы, т. е. возможно незначительное прохождение компонента сквозь рабочую поверхность манже­ты, а подход газа к резиновой манжете полностью исключается. В осевом направлении манжеты фиксированы гайкой. Уплотнение по наружному диаметру манжет осуществлено упругим кольцом, установ­ленным на внутренней поверхности резиновой манжеты.

Импеллер выполнен с козырьком, с двенадцатью лопатками. Такой тип импеллера применен для обеспечения более устойчивой работы импеллерного уплотнения.

Насос окислителя

Насос окислителя состоит из корпуса, рабочего колеса с осевым шнеком и узлов уплотнений.

Корпус насоса окислителя изготовлен из стали ковкой с последую­щей механической обработкой. Конструктивно он аналогичен корпусу насоса горючего. Входной патрубок в насос выполнен в форме конфузора для увеличения кавитационной устойчивости осевого шнека.

К цилиндрической части фасонной втулки со стороны диска турбины приварен охлаждаемый корпус узла манжетного уплотнения.

Рабочее колесо насоса окислителя представляет собой единый узел, состоящий из центробежного колеса закрытого типа и осевого шнека.

Центробежное колесо насоса окислителя выполнено из алю­миниевого сплава аналогично колесу насоса горючего.

Уплотнения.

Все узлы уплотнений насоса окислителя аналогичны таковым насо­са горючего.

Особенности работы ТНА

Как и двигательная установка, ТНА выполнен с двумя включения­ми, с перерывом между включениями 50 часов. При первом и втором включениях ТНА выходит на основной режим работы, развивая при этом полную мощность. Режимы работы при упомянутых включениях различаются только временем работы ТНА.

По окончании работы двигателя, т. е. после второго включения, ка­мера двигателя при помощи системы клапанов отключается, а двигательная установка переходит на вспомогательный (сопельный) режим работы, осуществляя дальнейшее мягкое торможение изделия и его ста­билизацию.

Стабилизация и торможение изделия осуществляются при помощи основной системы сопел, установленных на выхлопной трубе ТНА. По­этому ТНА переходит на режим пониженных оборотов до момента посадки изделия на Луну. Продолжительность работы ДУ — 50 сек.

Перед пуском ТНА насосы заполнены компонентами. Начальная раскрутка турбины осуществляется с помощью порохового стартера. В процессе начального разгона ротора давление компонентов на выходе из насосов увеличивается и в работу включается газогенератор, откуда газ поступает через трубопроводы, сопла на турбину.

ТНА выходит на режим главной ступени, обеспечивая подачу ком­понентов под высоким давлением в камеру двигателя и газогенератор, питающий газом ТНА.