ПРОБЛЕМА БАЛАНСА ОСЕВЫХ СИЛ В ТУРБОНАСОСНОМ АГРЕГАТЕ (ТНА)

THE PROBLEM OF AXIAL FORCE BALANCE IN A TURBOPUMP UNIT

Nikolay Kaushan

student, Department of Aircraft Engines, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

Цель настоящей статьи – изучить баланс осевых сил на конкретном примере и рассмотреть возможность баланса при помощи автоматического разгрузочного устройства. В качестве метода использованы общенаучные методы анализа, обобщения, сравнения. Результаты научных изысканий позволили говорить о необходимости совершенствования работы турбонасосного агрегата жидкостных ракетных двигателей. Исследования российских ученых, проводимые на базе отраслевых НИИ и конструкторских бюро соответствующего профиля, показали, что жидкостные ракетные двигатели остаются основными для перспективных средств выведения летательных аппаратов на орбиту в ближайшие 20 лет.

ABSTRACT

The purpose of this article is to study the balance of axial forces on a concrete example and to consider the possibility of balance using an automatic unloading device. General scientific methods of analysis, generalization, and comparison are used as a method. The results of scientific research made it possible to talk about the need to improve the operation of the turbopump unit of liquid rocket engines. Research by Russian scientists conducted on the basis of industry research institutes and design bureaus of the relevant profile has shown that liquid rocket engines remain the main ones for promising means of launching aircraft into orbit in the next 20 years.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, баланс осевых сил, запуск двигателя, турбонасосный агрегат, автоматическое разгрузочное устройство.

Keywords: liquid rocket engine, axial force balance, engine start, turbopump unit, automatic unloading device.

В процессе запуска жидкостного ракетного двигателя на режимах его глубокого дросселирования наиболее остро встает вопрос баланса осевых сил в турбонасосном агрегате (ТНА). Это связано с работой насосов и турбины двигателя на нерасчетных режимах. Эти моменты приводят к возникновению несбалансированных избыточных осевых сил, действующих на радиально-упорные подшипники турбонасосного агрегата. В турбонасосных агрегатах (ТНА) современных жидкостных ракетных двигателей для разгрузки опор от действия осевых сил прочное место заняли автоматические разгрузочные устройства или автоматы осевой разгрузки (АОР) с торцовым регулирующим элементом [3, с.163-178].

Осевые нагрузки необходимо уменьшать, для чего используют автоматическое разгрузочное устройство (АРУ). Использование автоматической осевой разгрузки ротора обеспечивает уравновешивание осевых сил от давления жидкости и газа и изменения количества движения жидкости и газа, возникающего при работе насоса и турбины [1, с. 107-108].

Основная цель – уменьшение осевого воздействия на подшипники за счет действия гидродинамических сил. Работа АРУ характеризуется отсутствием трения поверхностей, образующих гидравлический зазор, в противном случае это может привести к местному возгоранию.

Традиционной для ТНА, разработанных в России, является конструкция автоматической осевой разгрузки ротора с одной регулируемой осевой щелью [2] (рисунок 1).

Рисунок 1. Автоматическое разгрузочное устройство (АРУ), характерная для российских разработок

На рисунке 1 представлен разгрузочный поршень 1 автомата осевой разгрузки (АОР), как правило, совмещён с основным диском крыльчатки 2. На рисунке 1 представлены:

3 – разгрузочная полость с регулируемым давлением;

4 – корпус;

5 - нерегулируемая радиальная щель наружного диаметра крыльчатки;

6 - автоматически регулируемая осевая щель у ступицы;

7 - полость слива после осевой щели;

8 – разгрузочные отверстия в ступице крыльчатки;

9 - шнек.

В процессе работы ТНА любое отклонение от номинального значения осевого усилия, действующего на ротор, вызывает осевое перемещение ротора, в результате чего изменяется величина зазора d_а в регулируемой осевой щели. При постоянном значении радиального зазора d_r в нерегулируемой радиальной щели изменяются давление в разгрузочной полости и связанная с ним величина осевого усилия, действующего на разгрузочный поршень. Осевое перемещение ротора прекращается, когда приращение осевого усилия, действующего на разгрузочный поршень, уравновесит осевое усилие, вызвавшее его перемещение. Для ограничения осевого перемещения ротора, когда возникшее неуравновешенное осевое усилие превышает разгружающую способность АОР, одна из опор ротора имеет в корпусе торцовые ограничители.

Автоматическое разгрузочное устройство (АРУ) достаточно широко используется за рубежом. Имеются разработки в США, Японии, Италии, у которых автоматическая осевая разгрузка ротора с двумя регулируемыми осевыми щелями при осевом перемещении ротора осевой щелью с изменяемым зазором d_а1 у наружного диаметра крыльчатки (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема автоматической осевой разгрузки с двумя регулируемыми щелями

Отличается такая АОР автоматически регулируемой при осевом перемещении ротора осевой щелью с изменяемым зазором d_а1 у наружного диаметра крыльчатки. При осевом перемещении ротора под воздействием неуравновешенного осевого усилия регулирование давления в разгрузочной полости осуществляется за счет изменения зазоров d_а и d_а1 при этом один из зазоров увеличивается, а второй уменьшается.

Приведенные на рисунках 1 и 2 схемы АОР имеют свои особенности. АОР с одной регулируемой щелью, которая представлена на рисунке 1, используемый в российских ТНА, имеет пологую характеристику (малую жесткость) в области повышенных зазоров d_а в осевой щели. АОР имеет относительно простую конструкцию, так как в нем одна регулируемая щель и нерегулируемая радиальная щель выполняется в виде двух цилиндрических поверхностей. АОР не требует высокой точности изготовления, относительно прост в сборке, так как требуется настройка одного зазора d_а в осевой щели.

АОР с двумя регулируемыми щелями, представленная на рисунке 2, имеет большую жесткость и меньшее осевое перемещение по сравнению с АОР с одной регулируемой щелью. АОР более сложен конструктивно и в сборке, так как требуется настройка зазоров двух регулируемых осевых щелей. С таким АОР диск крыльчатки и корпус должны иметь высокую осевую жесткость, для того чтобы обеспечить минимальное влияние осевых деформаций конструкции на характеристики АОР.

АОР следует располагать как можно ближе к упорному подшипнику, благодаря чему достигается минимальное влияние силовых и термических деформаций ротора и корпуса на его работу.

Опыт создания двигателей свидетельствует о том, что осевая разгрузка ротора является общей проблемой для ТНА, выполненных с осевым подводом газа к турбине. Разгрузки роторов ТНА с осевым подводом газа к турбине является решаемой, но требует применения специальных конструктивных мероприятий, усложняющих конструкцию ТНА и зачастую ведущих к снижению экономичности.

В процессе разработки новых жидкостных ракетных двигателей конструкторскими подразделениями и научно-исследовательскими организациями необходимо решить множество проблем конструкторского, технологического, производственного и экспериментального характера. Одним из них является обеспечение высокой эффективности и безопасности работы турбонасосного агрегата в течение рабочего и гарантированного срока службы двигателя. На практике было доказано, что окончательная регулировка мощных двигателей является наиболее сложной проблемой безопасной эксплуатации турбонасосного агрегата и необходимо разгрузить радиально-упорные подшипники от действующих на них осевых сил.

Список литературы:

1. Иванов А.В., Мелентьев В.С., Гвоздев А.С. Проектирование турбонасосного агрегата ЖРД // Научные исследования. – Самара: Изд-во Самарского университета, 2017. – С.107-108.
2. Дмитренко А.И., Иванов A.B., Кравченко А.Г., Момотов В.И., Савин A.A., Глебов В.А. Разработка турбонасосных агрегатов для современных кислородно – керосиновых двигателей с дожиганием окислительного генераторного газа // Космонавтика. – 2012. – №1-2. – С. 42-49.
3. Дмитренко А.И., Иванов А.В. Особенности разгрузки роторов турбонасосных агрегатов ЖРД с осевым подводом рабочего тела к турбине // Труды НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко. – 2019. – № 36. – С. 163-178.