Основные элементы конструкции ТНА

 

Валы ТНА. Их выполняют из коррозионно-стойких сталей. Разные участки вала могут работать в различных условиях. Например, участок вала в области турбины испытывает воздействие высокой температуры, а другие участки вала ТНА могут быть в зоне криогенной жидкости (Н₂, О₂, N₂), которая вызывает структурные изменения в металле (рост зерен). Это необходимо учитывать при выборе материала вала ТНА на его различных участках. Для уменьшения массы ТНА валы выполняют пустотелыми.

Передача крутящего момента от вала ТНА к колесу осуществляется шлицевым соединением с прямобочными или эвольвентными шлицами. Иногда возможно применение шпонок, а в маломощных ТНА – резьбовое соединение с направлением нарезки, обратным вращению. При этом для центрирования колеса на валу предусматривается поясок, обеспечивающий плотную посадку.

Корпус ТНА. Конструкция корпуса ТНА зависит от материала и способа изготовления. Корпус включает в себя подводящие каналы насоса, сборники жидкости и отводящие элементы. Отводящие элементы насосов ТНА находятся под воздействием высокого давления жидкости, поэтому их стенки выполняют большей толщины, чем подводящие.

Корпус сборника насоса (улитка) изготовляется зацело с одной из стенок и имеет крышку. Крышка и корпус сборника соединяются с помощью шпилек или винтов. В стыке устанавливают прокладки. При больших давлениях и расходах компонента возникают значительные усилия в месте стыка крышки с корпусом. В этом случае увеличивают число шпилек и толщину стенок крышки.

Корпуса насосов изготовляют из алюминиевых сплавов. В ТНА с высоким давлением целесообразно применение стали или титановых сплавов. Широко применяются сборно-сварные корпуса. Прочность и жесткость корпусов обеспечивается установкой ребер жесткости. Корпуса бывают литые и из цельной заготовки, получаемые путем механической обработки. Сложные формы получают литьем с последующей механической обработкой.

Форма входной части корпуса насоса должна обеспечивать равномерный подвод топлива на крыльчатку (без закрутки). С этой целью во входных патрубках насоса ставят продольные перегородки, разделяющие поток на две части. Входной патрубок переходит в кольцевую камеру (улитку), где поток выравнивается по окружности. В корпусах насосов выполняются гнезда для посадки подшипников и размещения уплотнений вала.

 

Крыльчатки насосов. Их изготавливают из алюминиевых и стальных сплавов, они могут быть литыми или сборными. Литые крыльчатки обычно массивны (из условий технологичности и прочности), диск и лопатки имеют толщину не менее 4–5 мм. Основное достоинство литых крыльчаток – простота изготовления. Лопатки крыльчаток, как правило, профилированные, загнуты против вращения колеса насоса.

Сборные крыльчатки состоят из основного диска с лопатками и отдельной крышки. Диск с лопатками изготовляют фрезерованием или штамповкой. Качество поверхности достигается чистовым фрезерованием, зачисткой и полированием. Менее шероховатая поверхность крыльчатки уменьшает потери на трение в насосе.

Толщины стенок и лопаток у сборных крыльчаток значительно меньше, чем у литых (около 2,5 мм). Крепление крышки к диску крыльчатки производится пайкой или с помощью клепки. Паяные конструкции прочнее клепаных.

Крыльчатки чаще всего изготовляют литьем. Особенности технологии изготовления крыльчаток обусловлены сложностью формы межлопаточных каналов, которые затруднительно обрабатывать резанием. Поэтому применяется литье в кокиль или литье по выплавляемым моделям, дающие при использовании алюминиевых сплавов хорошее качество поверхности.

После отливки каналы зачищаются обдувом песком или гидроабразивным способом. При необходимости на поверхность крыльчаток наносятся защитные покрытия для предотвращения коррозии и механических повреждений. Обычно крыльчатка имеет не более восьми лопаток. Для крепления крыльчатки на валу широко применяются шлицевые соединения.

КПД насоса в значительной степени зависит от утечек из полости высокого давления в полость низкого давления. Для снижения утечек в насосе применяют щелевые, лабиринтные и плавающие уплотнения крыльчаток.

 

Опоры ТНА, подшипники. В ТНА ЖРД применяются преимущественно подшипники качения, в основном шариковые. Подшипник, расположенный перед турбиной или за ней, работает в области высокой температуры. Поэтому здесь устанавливают роликовый подшипник, воспринимающий только радиальную нагрузку.

В ТНА ротор может быть двух- или четырехопорным в зависимости от числа валов, каждый из которых может опираться на две или (реже) на три опоры. При сборке опор должно быть обеспечено высокое центрирование вала. Снижению радиальных сил, действующих на опоры, способствует тщательная динамическая балансировка всего ротора ТНА.

Для упрощения конструкции ТНА, ее облегчения и повышения надежности в основном стремятся применять двухопорные роторы с консольно расположенной турбиной. Такая схема целесообразна при жестких валах, малых пролетах между опорами и небольших массах и вылете рабочих колес ТНА (в малоразмерных двигателях). Трехопорные роторы ТНА используют при роторе значительной длины, не имеющем достаточной изгибной жесткости. Один подшипник такого ротора выполняют радиально-осевым, а два других – радиальными.

Большое внимание при конструировании ТНА уделяется защите от подогрева горячими газами турбинных подшипников (расположенных рядом с турбиной). Для защиты подшипника от горячих газов применяют уплотнения. Уплотнения турбинных подшипников проектируют так, чтобы не допустить прорыва газов через уплотнения или свести к минимуму количество этих газов.

Для того чтобы охладитель турбинного подшипника не перегревался в подшипнике, необходимо с обеих сторон выполнять по возможности большие полости (карманы). Каждая из полостей при помощи отверстий или специальных каналов в корпусе опоры должна сообщаться с дренажной магистралью.

Для уменьшения подогрева подшипника теплом турбинного газа, идущего от диска турбины, на валу под подшипником нарезают шлицы или устанавливают подшипник на втулку, имеющую небольшую поверхность контакта с валом турбины через посадочные пояски.

ТНА представляют собой высокооборотные машины, поэтому здесь применяются подшипники легких серий прецизионного (пятого) и сверхпрецизионного (четвертого) классов точности. В опорах, воспринимающих радиальные и осевые нагрузки, применяются одинарные или сдвоенные радиально-упорные шариковые подшипники. С целью повышения работоспособности подшипника увеличивают число шариков в нем. Для обеспечения сборки подшипника одно кольцо – внутреннее или наружное – делают разъемным. Если корпус опоры выполнен из алюминиевого сплава, то перед установкой подшипника в корпус запрессовывают стальную втулку.

Упорный подшипник размещают в наиболее благоприятных условиях: там, где меньше нагрузка от радиальных сил или меньше нагрев от турбины. Подшипники монтируются на валу на цементированных или азотированных поясках. Число подшипников в ТНА и схема их расположения определяются значениями нагрузок.

При двухопорном ТНА радиально-осевой или радиально-упорный подшипник воспринимает одновременно осевое и радиальное усилия. Этот подшипник нагружен больше чем радиальный, и его обычно располагают в зоне низких температур.

 

Газосборник турбин. При относительно низких температурах рабочего тела турбины (порядка ) газ может поступать непосредственно в полость корпуса турбины, а затем отводиться выхлопным патрубком. Обычно для сбора отработавшего турбинного газа применяют литой коллектор, входящий в силовую схему ТНА.

При высоких температурах газов применяют специальные газосборники, не входящие в силовую схему ТНА. В этом случае стальной выхлопной коллектор (газосборник) стыкуют с корпусом турбины после окончательной сборки ТНА. Газосборник, переходящий непосредственно в выхлопной патрубок, может изготовляться штамповкой из тонкого листового материала. Для повышения жесткости ему придают специальную форму (эллиптическую).

Для предохранения от перегрева топливной магистрали и арматуры, расположенных в непосредственной близости от газосборника, его теплоизолируют. На плоской стенке корпуса турбины, подверженной действию горячих газов, выполняют «зиги» (гофры). Этим обеспечивают жесткость плоской стенки и возможность её температурных деформаций без разрушения.