В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные


Система подачи компонентов топлива



страница9/14
Дата06.06.2016
Размер2.06 Mb.
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14

8. Система подачи компонентов топлива

8.1. Турбонасосная система (ТНС) подачи компонентов топлива

Турбонасосная система состоит из следующих подсистем.


  1. Турбонасосный агрегат (ТНА), предназначенный для увеличения давления и подачи компонентов топлива в камеру ЖРД и газогенератор. Ос­новными элементами ТНА является турбина, развивающая мощность при по­даче на нее высокотемпературного газа, и насосы, преобразовывающие мощ­ность турбины в напор компонентов топлива.

  2. Система повышения давления на входе в насосы состоит из системы предварительного наддува баков, который осуществляется, как правило, с по­мощью инертных газов или из системы предвключенных насосов.

  3. Система запуска турбины. Запуск турбины осуществляется с помо­щью твердотопливного газогенератора, как правило, работающего кратковре­менно только в момент запуска ЖРДУ.

  4. Система питания турбины. Питание турбины высокотемпературным газом осуществляется с помощью жидкостного газогенератора, работающего на основном или вспомогательном компоненте топлива, или путем подачи на лопатки турбины одного из компонентов, газифицированного в зарубашечном пространстве.

  5. Система выброса генераторного газа. Для ЖРД работающих по схе­ме «жидкость-жидкость» с выбросом генераторного газа в окружающую среду, система отвода включает в себя выхлопной патрубок турбины, заканчиваю­щийся расширяющимся соплом, плоскость среза, которого обычно совпадает с плоскостью среза основных сопел камеры ЖРД.

Для ЖРД, работающих по схеме «жидкость - газ» или «газ-газ», сис­тема отвода генераторного газа включает газовод (толстостенный патрубок), соединяющий выхлопной коллектор турбины с головкой камеры ЖРД.

8.2. Компоновочные схемы ТНА

ТНА подразделяются на одновальные и многовальные. В одновальных ТНА турбина и насосы располагаются на одном валу. Преимуществом ТНА, выполненных по такой схеме, является простота конструкции и малый вес. В качестве недостатка необходимо отметить, что только один из насосов (как правило, насос окислителя) работает при оптимальном числе оборотов. При этом насос горючего эксплуатируется при пониженных значениях КПД.

Различают следующие компоновочные схемы ТНА, рис.57.

При трехвальной схеме ТНА числа оборотов насосов и турбины неза­висимы друг от друга и могут выбираться из условий оптимальности работы насосов. Однако, наличие редукторов, работающих в сложных условиях (высо­кие значения/Окружной скорости, сложность обеспечения эффективной систе­мы смазки и охлаждения), в некоторых случаях сводит к минимуму выигрыш от повышения значений КПД насосов.









Рис.57

Компоновочные схемы ТНА

Наибольшее распространение в ЖРДУ получили одновальные схемы ТНА.

8.3. Устройство центробежного насоса

В ТНА ЖРД обычно в качестве основных применяются центробежные насосы. Основными достоинствами, определяющими преимущественное ис­пользование этих видов насосов в ЖРД, являются:

- обеспечение высоких давлений подачи и производительности при


малых габаритах и массе;

На рис.58 показана схема одноступенчатого центробежного насоса. Жидкость по входному патрубку 1 подается на вращающееся колесо (крыльчатку) 2. В колесе насоса жидкость движется по каналу, образован­ному стенками колеса и лопатками 3. Усилие, действующее со стороны ло­паток колеса на жидкость, заставляет ее двигаться так, что запас энергии в единице массы жидкости увеличивается. При этом происходит прирост как потенциальной энергии (статического давления), так и кинетической энер­гии жидкости.



Рис.58

Схема центробежного насоса:

1 — входной патрубок; 2 — колесо насоса (крыльчатка); 3 — лопатки;

4 — диффузор; 5 — лопатки диффузора; 6 — сборник или улитка; 7 — переднее уплотнение;

8 — подшипник вала; 9 — уплотнение подшипника

На выходе из колеса жидкость поступает в диффузор 4, где уменьшает­ся ее абсолютная скорость и дополнительно возрастает давление. Простейший

дифузор состоит из гладких дисков, составляющих его стенки, и называется безлопаточным. Лопаточный диффузор имеет неподвижные лопатки 5 (на рис.58 показаны пунктиром), которые способствуют более быстрому гашению скорости потока. Пройдя диффузор, жидкость поступает в спиральный канал (улитку) б, назначение которого состоит в том, чтобы собирать жидкость, вы-ооящую из колеса, а также уменьшать ее скорость. По нагнетающему патруб-ц жидкость подается в сеть.

Чтобы уменьшить перетекание жидкости из полости высокого дав­шая (диффузора, улитки) в область низкого давления, в насосе делаются уп-лотнения 7.



Рис.59


' Схемы центробежных насосов:

а—с осевым входом; б—со спиральным входом; в—с двухсторонним входом; г—многоступенчатый насос

Центробежные насосы выполняют с осевым, спиральным и двойным входом, одно-и многоступенчатые. Выбор осевого или спирального входа (рис.59, а,б)определяется в первую очередь условиями компоновки ТНА и дви­гательной установки. Двойной вход (рис.59, в) выполняют при больших расхо­дах для уменьшения скорости на входе и тем самым для улучшения антикави-тационных свойств насоса. Многоступенчатые насосы (рис.59, г) применяют при необходимости получения особенно больших напоров.

Обычно корпуса насосов выполняются литьем из высокопрочных алюминиевых сплавов, а в случае высоких давлений - из стали. Количество профилированных лопаток крыльчатки составляет не более 8, а их толщина лежит в диапазоне 2 ч- 5 мм.

8.4. Крыльчатки насосов

Различают крыльчатки, открытого и закрытого типов, рис.60 (а, б).

Открытая крыльчатка используется в насосах с малым расходом и дав­лением компонента. Для крыльчатки такого типа характерны значительные потери, обусловленные перетеканием компонента из области повышенного давления (на выходе из насоса) в область пониженного (на входе в насос). Крыльчатка состоит из диска 1 и выполненных на нем лопаток 2.

В закрытых крыльчатках на торцевых поверхностях лопаток устанав­ливается крышка 3., которая может быть выполнена за единое целое с крыль­чаткой. В крыльчатках такого типа потери на перетекание компонента значи-

тельно меньше, чем в открытых крыльчатках. Обычно крыльчатки изготавли­вают литьем. Число профилированных лопаток, как правило не превышает 8, а их толщина менее 5мм. Крыльчатки, представленные на рис.60, относятся к крыльчаткам с односторонним подводом компонента.

Для снижения расхода компонента через лопаточный канал крыльчат­ки (с целью исключения возникновения процесса кавитации) используются крыльчатки с двухсторонним подводом компонента, рис.61.











Рис.60

Односторонние крыльчатки: а- открытого типа; б - закрытого типа





Рис.61

Двухсторонняя крыльчатка



8.5. Уплотнения крыльчаток

С целью снижения перетечек жидкости в крыльчатках насосов уста­навливаются уплотнения следующих типов: щелевые, лабиринтные и плавающие, рис.62 а,б,в, соответственно.

Принцип работы щелевых уплотнений основан на обеспечении высо­кого гидравлического сопротивления кольцевой щели между графитовым вкладышем, установленным в корпусе насоса, и проточкой, выполненной во входном сечении диска. Конструкция данного уплотнения допускает до 15% перетечек от объема перекачиваемой жидкости, в то время как лабиринтное, рис.62 б, и плавающее (набор фторопластовых и алюминиевых шайб, установ­ленных во входном сечении крыльчатки), рис.62 в, - до 10 % и 5 %, соответ­ственно.

а) б) в)


Рис.62

Уплотнения крыльчаток: а - щелевое; б - лабиринтное; в - плавающее

8.6. Основные параметры насосов 1 .Объемная производительность насоса, V, м3 / с

где:


- массовый секундный расход жидкости, кг/с; - плотность рабочего тела на входе в крыльчатку, м3 / кг .

Относительная скорость движения жидкости в насосе, а, следователь­но, V ипропорциональны частоте вращения крыльчатки:



2. Действительный напор насоса, Нд, Дж/кг.

Действительный напор насоса характеризует приращение энергии, приобретенное 1 кг жидкости, прошедшей через насос.

где:


Р вых. > Р вх. - давление на выходе и входе в крыльчатку, н/ м2 ; - средняя плотность жидкости в крыльчатке насоса, м3 / кг ;

Напор пропорционален произведению квадратов частоты вращения n и внешнего диаметра крыльчатки:

3.Давление на выходе из насоса, PBblX, Па.

где:


- давление в камере, Па;

- перепад давления на форсунках, Па;
-перепад давления, обеспечивающий преодоление гидравлического

сопротивления магистрали от насоса до камеры ЖРД, Па.

4.Число оборотов крыльчатки, n, об/мин.

где:


- угловая скорость крыльчатки, 1/ с .

5.Полезная мощность насоса, N, Вт.

Полезная мощность насоса - мощность, переданная насосом жидкости, т.е. затраченная на создание действительного напора при заданной объемной производительности.

Полезная мощность насоса пропорциональна кубу числа оборотов крыльчатки

б.Коэффициент полезного действия насоса насоса,, %.

где:


,,-объемный, гидравлический и механический коэффициенты

полезного действия (к.п.д.) насоса, соответственно.



где V ут. - объемная производительность насоса, обусловленная перетечками в нем.

Объемный КПД определяет количество жидкости, перетекающей из полости высокого давления обратно в полость низкого давления, и утечек жид­кости из полости высокого давления через уплотнения.



- учитывает потери:


  • на трение жидкости в каналах входного патрубка, крыльчатки, улит­ки, выходного диффузора, а также на трение в самой жидкости, обусловлен­ные ее вязкостью;

  • на удар и срыв потока, обусловленные несовпадением геометриче­ского профиля лопатки и направлением вращения крыльчатки.

Потери на трение пропорциональны квадрату объемной производи­тельности V2 или квадрату относительной скорости жидкости W2.

Потери на удар минимальны при расчетном числе оборотов крыльчаг-ки.



= 70 / 90 %

Произведение объемного и гидравлического к.п.д. носит название внутреннего к.п.д. насоса.



- учитывает механические потери, связанные с трением жидкости о нерабочие поверхности крыльчатки, потери в подшипниках, уплотнениях и т.д.

= 70 / 80 %

7. Потребная мощность насоса, NH, Вт.



Потребная мощность насоса определяется экспериментально при его проливках, в процессе проведения которых находят объемную производитель­ность, значения давления на входе и выходе из насоса, число оборотов крыль­чатки и крутящий момент на валу.

8. Коэффициент быстроходности насоса, ns.

Коэффициент быстроходности насоса - число оборотов этатонного на­соса, геометрически подобного натурному, с тем же гидравлическим и объемным к.п.д., но с напором в 1 Дж/кг и полезной мощностью в 1 Вт. В общем случае:



Величина ns характеризует форму колеса насоса, рис.63. Дейст­вительно, при данном числе оборотов п большее значение пs соответствует большим объемным производительностям V и меньшим напорам Я. Увеличе­ние же V и уменьшение Я приводит к увеличению проходного сечения канала

колеса (ширины) и к уменьшению выходного диаметра колеса D2. Таким обра­зом, при больших значениях ns канал колеса будет коротким и широким. С уменьшением ns канал сужается, а отношение выходного и входного диаметров колеса (D2 /DI) увеличивается.

Насосы ЖРД, как правило, имеют относительно малые расходы объемные производительности V и большие напоры Н, т.е. малые значения ns (обычно меньше 100).





Рис.63

Форма колеса насоса в зависимости от ns: а - тихоходное колесо; б - нормальное колесо; в - быстроходное колесо

8.7. Характеристики насосов

Рассмотрим движение жидкости в проточной части центробежно­го насоса, рис.64.

Частицы жидкости, находящиеся в межлопаточном канале участвуют в двух движениях: в относительном ( W- относительная скорость ) и в перенос­ном (U- окружная скорость). В результате указанных движений частичка жид­кости перемещается в канале с абсолютной скоростью С , при этом U2 > U1 .

С целью уменьшения потерь и создания наиболее благоприятных усло­вий течения жидкости по каналу крыльчатки рекомендуется принимать Wi = W2, при условии U2 > U1 .

Индексы "1" и "2" относятся к входному и выходному сечениям крыльчатки соответственно, рис.65.



Рис.64

Изменение параметров по тракту центробежного насоса

Согласно формуле Эйлера, напор насоса с бесконечным числом лопа­ток может быть определен по следующей зависимости:

где: G2,u - проекция абсолютной скорости на выходе из крыльчатки на окруж­ную скорость (окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из крыльчатки).

В насосе с бесконечным числом лопаток любая струйка жидкости, пе­ремещающаяся от входа в колесо к спиральной камере, имеет одинаковые па­раметры. При конечном числе лопаток это условие нарушается. Со стороны лопатки, оказывающей силовое воздействие на жидкость, давление будет больше, рис.66,а. Такая неравномерность полей давлений связана с неравно­мерностью полей скоростей, рис.66,6. Относительная скорость будет больше на стороне лопатки, не оказывающей давление на жидкость.

Указанные распределения параметров вызывают изменения характера скорости жидкости в межлопаточном канале, т.е. приводят к появлению цирку­ляционных течений и к некоторому отклонению потока на выходе в сторону противоположную вращению, что определяет снижение напора, создаваемого насосом.



Рис.65


Треугольники скоростей на входе и на выходе из

крыльчатки центробежного насоса

Потери на циркуляцию оцениваются коэффициентом потерь насоса nЛ, который характеризует снижение напора, за счет конечного числа лопаток.

Теоретический напор насоса с конечным числом лопаток определяется из соотношения:





















Для центробежного насоса:

где: D1,CP- средний диаметр лопатки крыльчатки на входе; - угол наклона лопатки крыльчатки на выходе .




а)

б)



Рис.66

Неравномерности полей давления, скорости и пульсации в межлопаточном канале крыльчатки

Объемная производительность насоса может быть определена по сле­дующей зависимости:

где: b2 - ширина выходного сечения крыльчатки.

Радиальная составляющая абсолютной скорости на выходе из крыльчатки С2,г определяется из выражения:



Теоретический напор насоса при бесконечном числе лопаток, с учетом, рис.67, что:






равен:



Рис.67

Треугольник скоростей на выходе из центробежного насоса

Напорная характеристика насоса представляет зависимость напо­ра от объемной производительности при постоянном числе оборотов крыльчат­ки, рис.68.



Рис.68

Напорная характеристика насоса с бесконечным числом лопаток крыльчатки

116


В центробежных насосахменьше , т.к. при увеличе-

нии наблюдается существенный рост гидравлического сопротивле-

ния жидкости в межлопаточном канале.

Поток жидкости при движении от входного сечения насоса до выхода аз диффузора испытывает неоднократные повороты, проходит сужения и рас-ширения канала, обтекает входные кромки лопаток и т.п. Во всех этих случаях теряется энергия на преодоление местного сопротивления, кроме того, всегда существуют потери на трение жидкости о стенки. Эти суммарные потери энер­гии в процессе течения жидкости через насос составляют гидравлические поте­ри.

Зависимость гидравлических потерь в насосе от объемной производи­тельности очень сложна: минимальные гидравлические потери имеют место при расчетном режиме течения жидкости, т.е. при расчетном значении объем­ной производительности насоса. Действительная напорная характеристика на­соса Нд= f ( V) представляет собой параболу, рис.69.



Рис.69

Напорные характеристики центробежного насоса

8.8. Кавитация

Кавитация - процесс образования пузырьков пара в тех зонах жидко­сти, в которых статическое давление меньше давления насыщенного пара,

завершающийся заполнением этих пузырьков жидкостью при их попадании в зону повышенного давления. Это явление наблюдается при чрезмерно больших скоростях жидкости (числах оборотов крыльчатки - n).

При высоких скоростях движения потока статическое давление может стать меньше давления насыщенных паров Ps и тогда происходит закипание

жидкости, т. е. возникает кавитация.

В колесе центробежного насоса в отношении кавитации наиболее опасным является сечение входа жидкости на лопатки колеса, где полное дав­ление жидкости минимально (насос еще не сообщил жидкости энергии), а аб­солютная и относительная скорости потока велики.

Высокие относительные скорости жидкости на входе в лопатку спо­собствуют образованию полостей пониженного давления с задней стороны ло­патки, рис.70, т.е. способствуют возникновению кавитации. Кроме того, нерав­номерное поле абсолютных скоростей при подходе к лопатке вызывает допол­нительное падение давления в струйках, где скорость будет больше средней.



Каталог: book
book -> Психология смысла природа, строение и динамика смысловой реальности
book -> А. А. Леонтьев Язык, речь, речевая деятельность просвещение 1969
book -> Издательство московского университета
book -> Основы парящего полета
book -> Авиакомпания эмирейтс
book -> Военная психология: методология, теория, практика Учебно-методическое пособие
book -> -
book -> Эргономичные алгоритмы На ошибках мы горим! Мне сказал Алеха. Непонятный алгоритм Это очень плохо
book -> Краткий обзор развития автожира 5 Глава Теория ротора 6


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница