Компоновочные схемы ТНА

 

Размещение в общем корпусе ТНА на одном валу газовой турбины и нескольких насосов для подачи высоко-агрессивных и токсичных компонентов топлива, которые при соединении могут вступать между собой в химическую реакцию со взрывом, приводит к необходимости тщательного анализа при выборе компоновочной схемы ТНА. Рассмотрим некоторые отличительные признаки, характеризующие различные компоновочные схемы ТНА.

В зависимости от взаимного размещения насосов и турбины различают однороторные (безредукторные) и многороторные (редукторные) турбонасосные агрегаты. В однороторном ТНА насосы окислителя и горючего, а также турбина размещаются на одном валу. В двухроторных ТНА на одном валу размещаются насосы окислителя и горючего, а на другом валу – турбина, или на одном валу размещаются насос горючего и турбина, а на другом валу – насос окислителя. В трехроторном ТНА каждый насос и турбина размещаются на отдельном валу.

Наиболее простую и надежную конструкцию имеет однороторный ТНА. Эта схема получила наибольшее распространение. Однако она обладает существенным недостатком: число оборотов вала оказывается оптимальным только для одного агрегата, а другие агрегаты, в особенности турбина, работают на пониженном относительно своего оптимума числе оборотов.

Многороторная конструкция ТНА позволяет для каждого агрегата выбирать оптимальное число оборотов с точки зрения его КПД, малых габаритов и массы. Однако многороторный ТНА имеет сложную конструкцию. Кинематическую связь между валами ТНА обеспечивает зубчатый редуктор, который работает в тяжелых условиях (высокие окружные скорости и большая передаваемая мощность). Поэтому выигрыш в массе ТНА сводится к минимуму из-за большой массы редуктора, систем его смазки и охлаждения.

Угловая скорость однороторного ТНА ограничивается антикавитационными свойствами насосов (обычно насоса окислителя, который более подвержен явлению кавитации).

В однороторном ТНА газовая турбина может располагаться или консольно по отношению к насосам, или между насосами окислителя и горючего (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Компоновочные схемы однороторных ТНА: А – центральное положение турбины; Б, В – консольное; (А, Б – двухопорный ТНА; В – многоопорный ТНА); Т – турбина основная; ТП – турбина пусковая

Каждая схема ТНА имеет различные варианты конструктивного исполнения подводящих устройств насосов окислителя и горючего. Их подразделяют на радиальные (коленообразные) и осевые подводящие устройства. Осевые входные устройства наиболее просты в конструктивном исполнении (имеют форму усеченного конуса с наименьшей площадью на входе в крыльчатку). Радиальные входные устройства осуществляют подвод компонента под углом к оси вала. Их выбирают из условий удобства компоновки ТНА.

Центральное расположение турбины в ТНА обеспечивает надежное разделение полостей насосов окислителя и горючего. Кроме того, в этой схеме наиболее выгодно (симметрично) распределяется крутящий момент на валу от диска турбины и легко реализуется удобный осевой подвод компонентов в оба насоса. Однако условия работы такого ТНА крайне сложны из-за высоких градиентов температуры в полостях ТНА, что вызывает большие деформации статора и ротора.

Наиболее простая компоновка ТНА у агрегатов с раздельной подачей компонентов топлива. Она широко применяется в двигательных установках с криогенными компонентами топлива, а также в двигателях с дожиганием, выполняемых по схеме «газ – газ». Одна из турбин раздельных ТНА работает на газе с избытком горючего, а другая – с избытком окислителя.

Раздельная подача улучшает массовые характеристики ТНА, исключает опасность смешения компонентов топлива в ТНА, упрощает конструкцию двигателя большой тяги путем осевого подвода топлива к насосам и более простой схемы уплотнений между турбиной и насосами.

Из всех однороторных ТНА наиболее простой конструкцией и более высокой надежностью обладают ТНА с газовой турбиной на консоли. В этом случае упрощается система уплотнений насоса горючего, а осевой подвод насоса окислителя повышает его антикавитационные свойства. Схема наиболее целесообразна, если один из насосов выполняется с двухсторонним входом.

По числу валов, объединяемых в один ротор, ТНА могут быть с одним (цельным) валом или с несколькими валами, соединенными между собой муфтами или рессорами (рис. 5.2).

По числу опор вала различают двух-, трех- и четырехопорные схемы ТНА. В трехопорной конструкции ТНА система вал–опоры является статически неопределимой. Это затрудняет сборку ТНА из-за необходимости точной посадки вала в корпусе опоры по всем трем опорам.

 

Рис. 5.2. Соединение валов ТНА (а – рессорой; б – муфтой; в, г – фасонными цапфами): 1 – вал; 2 – рессора; 3 – цапфа вала; 4 – пружина; 5 – сухарь; 6 – цапфа ротора; 7 – втулка; 8 – винт регулировочный; 9 – муфта; 10 – кольцо

 

На выбор схемы ТНА оказывает влияние конструкция насоса. В ТНА ЖРД обычно применяют основной центробежный насос. Перед основным насосом устанавливают осевое колесо (преднасос) для повышения антикавитационных качеств основного насоса.

По числу входов в рабочее колесо применяют насосы как с односторонним, так и с двухсторонним входом. Крыльчатки с двухсторонним входом позволяют увеличить число оборотов ротора ТНА и за счет этого снизить массу ТНА. Крыльчатки с двухсторонним входом применяют в высокорасходных насосах двигателей больших тяг.

По числу ступеней давления насосы разделяют на одноступенчатые и многоступенчатые (две и более ступеней).

По кратности запуска различают ТНА однократного и многократного (два или более раз) включений. В отличие от ТНА однократного (разового) включения, в ТНА многократного включения в паузах между включениями компоненты топлива могут находиться в полостях насосов. Это предъявляет дополнительные требования к системам уплотнений ТНА. Они должны обеспечивать надёжное разделение полостей насосов при невращающемся роторе ТНА.

Способ раскрутки ротора ТНА также определяет его конструкцию. Например, применение пусковой турбины для раскрутки ТНА значительно увеличивает длину вала и расстояние между подшипниками, что требует увеличения числа опор ротора ТНА или перехода от одновального ротора к двухвальному.

К основным факторам, определяющим компоновочную схему ТНА, относится уровень температуры компонентов, подаваемых насосами, и рабочего тела турбины. Эти факторы определяют выбор взаимного расположения и взаимной ориентации насосов и турбины. Например, насос с криогенной рабочей жидкостью нецелесообразно располагать рядом с турбиной, т.к. тепловой поток от турбины передается через корпусные детали и вал ТНА в рабочую жидкость насоса, подогревает ее, что приводит к кавитации в насосе и срыву подачи топлива. Из тех же соображений нежелательна установка рядом с турбиной насоса с компонентом, склонным к термическому разложению (например, гидразином).

Часто компоненты ракетных топлив при соприкосновении воспламеняются. Даже контакт паров таких компонентов в полости ТНА приводит к взрыву. Для предотвращения контакта необходимо в конструкции ТНА предусматривать очень сложную систему уплотнений, надежно разъединяющих полости компонентов топлива в корпусе ТНА. Поэтому для самовоспламеняющихся топлив более надежной является схема ТНА с раздельной подачей окислителя и горючего.