Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А. Н. Туполева-КАИ

Институт авиации, наземного транспорта и энергетики

Кафедра реактивных двигателей и энергоустановок

Курсовой проект на тему:

«Проектирование турбонасосного агрегата»

Выполнил: студент Парфенов М.А.

Руководитель проекта: Саттаров А.Г.

Казань 2015



Оглавление

Ведение

1. Расчет насоса окислителя и определение его КПД

2. Описание конструкции ТНА

3. Крепление ТНА на двигателе

4. Описание Работы ТНА

Список использованной литературы



Ведение

Турбонасосный агрегат используется в ЖРД для подачи компонентов в камеру сгорания, и повышения их давления. ТНА состоит из турбины, насоса окислителя, насоса горючего и насоса пускового горючего.

В зависимости от назначения и выбранной конструктором схемы подачи топлива могут появляться дополнительные элементы, такие как бустерный насос, например, и другие.

В данном проекте необходимо рассчитать и спроектировать турбонасосный агрегат так, чтобы он обеспечивал расход окислителя 221,2 кг/с, расход горючего 55,7 кг/с и расход перекиси водорода 5,9 кг/с и обеспечивал давление на выходе окислителя 60 ата, горючего 74 ата и перекиси водорода 66 ата.

Спроектированный ТНА должен иметь наименьшую массу и габариты.



1. Расчет насоса окислителя и определение его КПД

Рабочее тело: АК-27И

Массовый расход:

Полное давление подачи:

Минимальное полное давление на входе в насос:

Температура на входе в насос:

Плотность компонента:

Давление паров при :

Объемный расход:

Напор насоса:

Кавитационный запас на входе:

Критический кавитационный запас насоса:

Коэффициент полезного действия насоса:



Мощность насоса:

Допускаемое напряжение на кручение:

Коэффициент втулки шнека:

Максимальная величина кавитационного коэффициента быстроходности:

Частота вращения насоса:

Коэффициент быстроходности насоса:



Диаметр втулки шнека:

Коэффициент кавитации шнека:

Оптимальный эквивалентный диаметр шнека:

Оптимальный диаметр шнека:

Относительный диаметр втулки шнека:

Коэффициент оптимального эквивалентного диаметра шнека:



Коэффициент приведенного диаметра входа в центробежное колесо:

Приведенный диаметр входа в центробежное колесо:

Скорость на входе в колесо:

Диаметр втулки:

Диаметр входа в центробежное колесо:

Отношение наружного диаметра шнека к диаметру входа в центробежное колесо:

Гидравлический КПД шнекоцентробежного насоса:

Коэффициент окружной скорости на выходе из центробежного колеса:



Окружная скорость на выходе из рабочего колес:

Наружный диаметр колеса:

Отношение диаметра входа в центробежное колесо к наружному диаметру:

Диаметр:

Отношение:

Уточненное значение гидравлического КПД:



Объемный КПД:

Механический КПД:

Дисковый КПД:

Полный КПД насоса:

Ширина лопатки на входе в центробежное колесо:

Меридиональная скорость на входе в колесо:

Меридиональная скорость на выходе из колеса:



Ширина рабочего колеса на выходе:

Средний диаметр шнека:

Окружная скорость на среднем диаметре шнека:

Скорость на входе в шнек:

Угол входа потока на среднем диаметре:

Угол атаки на среднем диаметре:

Угол установки лопатки на среднем диаметре:



Шаг шнека:

Окружная скорость на периферии:

Угол потока на периферии:

Угол лопатки на периферии:

Толщина лопатки шнека на периферии:

Число лопаток шнека:

Угол атаки на периферии:

Шаг шнека на периферии:



Оптимальная густота решетки шнека на периферии:

Угол конусности шнека на входе:

Угол конусности шнека на выходе:

Длина лопатки шнека на периферии:

Осевая длина шнека на периферии:

Осевая длина шнека:

Длина шнека на среднем диаметре:



Длина лопатки шнека на среднем диаметре:

Шаг шнека на среднем диаметре:

Густота решетки шнека на среднем диаметре:

Относительная длина лопатки шнека на среднем диаметре:

Окружная скорость на эквивалентном диаметре:

Параметр скорости:



Степень заострения входных кромок лопаток шнека:

Клинообразность входных участков лопаток шнека:

Экспериментальное значение коэффициента кавитации:

Критический кавитационный запас насоса:

Кавитационный коэффициент быстроходности:



Расчетный диаметр шнека:

Коэффициент:

Площадь межлопаточных каналов шнека в меридиональном сечении:

Расходный параметр:

Теоретический напор шнека:

Коэффициент:



Коэффициент:

Коэффициент:

Действительный напор шнека:

Гидравлический КПД шнека:

Окружная скорость на диаметре D1:

Параметр скорости на входе в колесо:



Толщина лопатки центробежного колеса на входе:

Число лопаток рабочего колеса:

Параметр:

Коэффициент кавитации центробежного колеса:

Закрутка потока на входе в рабочее колесо:

Абсолютная скорость потока на входе в рабочее колесо:

Относительная скорость потока на входе в рабочее колесо:

Относительная закрутка потока на входе в рабочее колесо:



Коэффициент кавитации при наличии закрутки потока:

Условие бессрывной работы центробежного колеса:

Угол наклона ведущего диска колеса к оси вращения:

Коэффициент стеснения лопастями сечения на выходе из рабочего колеса:

Меридиональная скорость на выходе из колеса с учетом стеснения потока и объемных утечек:

Угол потока на выходе из рабочего колеса:

Угол лопаток колеса на выходе:



Угол потока на входе в рабочее колесо:

Угол атаки на входе в рабочее колесо:

Угол лопаток колеса на входе:

Густота решетки центробежного колеса:

Статический напор предвключенного шнека:

Величина относительного падения напора насоса при переходе с первого на второй критический режим:



диаметр на входе в насос:

Наружный радиус безлопаточного диффузора:

Ширина спирального сборника:

Площадь на выходе из спирального сборника (вход в конический диффузор)

Высота входа в диффузор:

Эквивалентный диаметр входа в диффузор:



Скорость на выходе из насоса:

Площадь выхода диффузора:

Диаметр входа диффузора:

Длинна диффузора:

Длинна участка диффузора с постоянным сечением:

Угол раскрытия диффузора:

Масса насоса с двухсторонним входом:

2. Описание конструкции ТНА

ТНА представляет собой двухвальную конструкцию, на одном валу которой расположены рабочие колеса турбины п насоса окислителя (АК-27И), на другом -- насоса горючего (ТМ-185) и насоса продукта 030 (перекиси водорода), из которого образуется парогаз, являющийся рабочим телом для турбины.

Диск турбины расположен на валу консольно. При таком размещении турбины выхлопной коллектор является не силовым элементом конструкции и имеет меньшую массу.

Каждый вал вращается па двух шарикоподшипниках, из них подшипники (40) и (36) являются радиально-упорными и обеспечивают осевую фиксацию ротора относительно корпуса. Смазка подшипников -- консистентная.

Передача крутящего момента с одного вала па другой осуществляется рессорой (10) (Ст 38ХА), имеющей на концах звольвентные шлицы. Рессора допускает относительное радиальное и осевое смещение осей валов без нарушения нормальной работы ТНА.

Двухступенчатая активная турбина состоит из корпуса, выхлопного аппарата, рабочего колеса с валом и узла уплотнений.

Корпус: Корпус турбины состоит из соплового аппарата с распределительным коллектором и диафрагмой. Силовой частью корпуса является сопловой аппарат (39)(Ст25), который через 4 кронштейна (22) крепится к корпусу насоса окислителя.

Благодаря стальным призматическим шпонкам (Ст45), боковые поверхности которых расположены радиально, обеспечивается соосность соединяемых корпусов при температурных деформациях, возникающих в процессе работы ТНА.

К сопловому аппарату приварен распределительный коллектор (23), который имеет два подводных патрубка (листы 6, 7), к которым крепится газогенератор.

Тепловая изоляция распределительного коллектора (23) осуществляется с помощью кожуха (24).

В качестве теплоизолирующего материала в кожухе использована стеклянная вата, слой которой расположен между сеткой, прилегающей к изолируемой детали, и наружной оболочкой.

Во избежание высыпания ваты но краям полости проложен асбестовый шнур. Теплоизолирующий кожух является съемным узлом и крепится винтами к кронштейнам корпуса турбины.

Для того, чтобы отделить полость перед диском турбины (29) от окружающей среды, установлена диафрагма (30). Диафрагма выполнена из стали со штампованными ребрами жесткости и приварена к сопловому аппарату (39) н точеному фланцу, в который вмонтировано разрезное уплотнительное кольцо.

Этот фланец входит в узел соединения корпуса турбины с корпусом насоса окислителя. Это соединение происходит через корпус узла уплотнений (33); герметичность стыков в этом узле обеспечивается резиновыми прокладками.

Выхлопной аппарат: Выхлопной аппарат состоит из выхлопного коллектора (28) и направляющего аппарата. Выхлопной коллектор -- стальной, штампованный, приварен к фланцу, который посредством болтов крепится к фланцу соплового аппарата (25). Газ из коллектора отводится по двум патрубкам, расположенным взаимно перпендикулярно к оси ТНА. К сопловому аппарату па болтах крепится направляющий аппарат (26).

Направляющий аппарат турбины разрезной, состоит из четырех сегментов с направляющими лопатками, изготовленными из алюминиевого сплава АК4. Направляющие лопатки запрессованы в продольный паз сегмента н удерживаются в нем ножкой Т-образной формы.

Рабочее колесо: Рабочее колесо состоит из двухвенечного диска (29) с расположенными на нем рабочими лопатками (27) первой и второй ступени.

Рабочие лопатки и диск изготовлены из высокопрочной стали. Крепление лопаток к диску осуществляется елочными замками. Для установки лопаток в ободе диска имеются вырезы трапециевидной формы. По окончании установки лопаток вырезы закрываются замками, которые фиксируются в осевом направлении штифтами (вид Г). В диске имеются три отверстия, выравнивающие давление по обе его стороны для уменьшения осевого усилия на роторе.

Вал (20)(Ст2Х13) стальной, пустотелый. Крепление диска к валу осуществляется по фланцу (с центрирующим буртом), крутящий момент передается запрессованными штифтами (31), осевая фиксация диска обеспечивается винтами (32).

Уплотнение: Уплотнение полости турбины по валу обеспечивается двумя чугунными разрезными сегментными кольцами, установленными в корпус (33), между которыми имеется дренажная полость (сеч. ДД). Разрезное кольцо состоит из трех притертых друг к другу сегментов. Сегменты прижаты друг к другу пружиной, охватывающей их по наружным канавкам, и зафиксированы от проворачивания штифтом.

Насос окислителя состоит из корпуса с крышкой, рабочего колеса, системы уплотнений с дренажами и подшипников.

Корпус: Корпус (19)(АЛ4-3М) и крышка (11) насоса окислителя, образующие в сборе патрубок всасывания и диффузор насоса, являются отливками сложной конфигурации из алюминиевого сплава. Так как насос имеет двусторонний вход, разъем корпуса и крышки осуществлен в двух местах -- в области высокого и низкого давлений.

В связи с двусторонним входом часть корпуса над улиткой имеет арочную форму, обеспечивающую большую жесткость и более равномерное распределение напряжений по корпусу. Разъем в области низкого давления является внешним для насоса и уплотнен жестким кольцом (13) из алюминиевой проволоки.

Разъем в области высокого давления внутренний и поэтому утечки по нему менее опасны. Этот разъем уплотнен кольцом (17) из фторопласта. Корпус и крышка насоса имеют развитые фланцы для крепления корпуса насоса горючего, трубопровода, подводящего окислитель; для крепления корпуса турбины---четыре прилива (лапы) и два прилива, используемые для крепления цапф (38) опор агрегата на раме.

Рабочее колесо: Рабочее колесо насоса представляет собой центробежную крыльчатку (21) закрытого типа с двусторонним входом. Для повышения антикавитационных качеств насоса на входах в крыльчатку установлены осевые крыльчатки (16). Центробежная и осевые крыльчатки изготовлены литьем из алюминиевого сплава с последующей механической обработкой.

Для уменьшения перетекания в радиальных зазорах между корпусом (19) и крышкой (11) и осевыми крыльчатками на наружном диаметре последних имеются бандажи.

Крутящий момент с вала на рабочее колесо и осевые крыльчатки передается с помощью прямоугольных шлиц.

Затяжка всех деталей, посаженных на вал, осуществляется ганкой (35), законтренной стопорной шайбой. Во избежание перекоса крыльчаток при затяжке ганки (35) предусмотрена постановка двух стальных пружинных колец (34).

Уплотнение: Полости высокого и низкого давлений насосов разделены по буртам рабочего колеса лабиринтными уплотнениями.

Стальные кольца (18) лабиринтных уплотнений запрессованы в расточки корпуса и крышки н контрятся винтами. На рабочих поверхностях колец нарезаны гребешки треугольной формы.

Уплотнение окислителя по валу как со стороны насоса горючего, так и со стороны турбины одинаково и состоит из гидрозатвора (импеллера) (15), торцевого уплотнения (14) с сильфонным разделителем и дренажной полости.

Торцевое уплотнение герметизирует полость входа как во время заливки и выдержки насоса под компонентом, так и при работе агрегата. Торцевое уплотнение состоит из фторопластового кольца, завальцованного в стальную шайбу и контактирующего по полированному торцу стальной втулки, затянутой гайкой на валу. Разделение полостей осуществляется сильфоном, приваренным к шайбе, и опорной втулке, закрепленной в корпусе или крышке. Во избежание потери устойчивости сильфона при опрессовке насоса водой под высоким давлением в гофрах сильфона установлены проволочные кольца. Необходимое для уплотнения контактное давление в рабочей паре создается пружиной.

Полости подшипников уплотнены по валу с помощью манжетных уплотнений. Для предотвращения выдавливания манжет из гнезд со стороны насоса они фиксируются в осевом направлении стопорными кольцами.

Между стопорным кольцом и манжетой устанавливается поддерживающее кольцо, обеспечивающее равномерное прилегание губки манжеты к валу. Работоспособность манжет в среде окислителя обеспечивается применением эластичного материала на основе каучука СКФ. Две другие манжеты изготовлены из резины.

Подшипники. Подшипники (40) и (12) работают, в среде консистентной смазки, которая заполняет полость между манжетами. Подшипник (12) не фиксирован в осевом направлении на валу, что обеспечивает свободу термических расширений вала и корпуса. Посадка подшипников в корпус и на вал плотная.

Насос горючего состоит из корпуса с крышкой, рабочего колеса с валом, системы уплотнений с дренажами и подшипников.

Корпус: Корпус насоса (8) н крышка (4) изготовлены литьем из алюминиевого сплава с последующей механической обработкой. Элементами проточной части корпуса являются радиальный подводящий патрубок с фланцем, спиральный диффузор постоянной ширины п переменного радиуса и конический диффузор, заканчивающийся фланцем для присоединения отводящего трубопровода. Соединение корпуса и крышки выполняется шпильками; место стыка уплотняется алюминиевым кольцом.

В нижней части корпуса имеются два прилива с отверстиями для крепления ТНА к рамс. Кроме того, корпус имеет фланец для соединения с корпусом насоса окислителя. Левая часть крышки (4) отлита в виде фланца для крепления корпуса насоса продукта 030.

Две дренажные полости в крышке и корпусе сообщены сверлениями со штуцерами, к которым присоединяются дренажные трубопроводы.

Рабочее колесо с валом: Рабочее колесо (6) представляет собой центробежную крыльчатку закрытого типа с односторонним входом, изготовленную литьем из алюминиевого сплава с последующей механической обработкой. Для разгрузки колеса от осевого усилия и возврата протекшего через левое лабиринтное уплотнение компонента на вход в несущем диске просверлены три отверстия. Эти отверстия имеют нарезку для съема крыльчатки при переборке насоса.

Для повышения антикавитационных качеств на входе в насос установлена осевая крыльчатка (9), отлитая из алюминиевого сплава зацело с бандажом, уменьшающим перетекание компонента в радиальном зазоре с корпусом. Крутящий момент с вала па центробежную и осевую крыльчатки передается при помощи шлиц прямоугольного сечения (сеч. АА). Вал насоса (1) изготовлен из высокоуглеродистой стали, имеет ступенчатую форму. С целью уменьшения веса на части длины вал выполнен полым. Со стороны насоса продукта 030 вал закончен шестигранником, который служит для проворачивания ротора при сборке ТНА.

Уплотнение: Полости высокого и низкого давлений насоса разделены по буртам крыльчатки лабиринтными уплотнениями. Стальные кольца (7) лабиринтных уплотнений запрессованы в расточки корпуса н крышки и контрятся винтами. турбонасосный антикавитационный топливо

Система уплотнений по валу со стороны насоса окислителя включает в себя пакет последовательно установленных резиновых манжет с дренажной полостью между второй и третьей манжетой. Осевая фиксация манжет осуществляется стопорными кольцами.

Уплотнение по валу со стороны, противоположной входу, обеспечивается, кроме манжет, гидрозатвором.

Подшипники: Оба подшипника (36) и (37) работают в среде консистентной смазки, которой при сборке заполняют на 3А объема полость между манжетами, препятствующими вытеканию смазки и попаданию горючего в полость подшипника.

Подшипник (36)--радиально-упорный, подшипник (37) воспринимает только радиальные нагрузки. Посадка подшипников в корпусе и на вал плотная.

Насос продукта 030 располагается на консоли вала насоса горючего и состоит из корпуса с крышкой, рабочего колеса и системы уплотнений с дренажами.

Корпус: Корпус насоса состоит из собственно корпуса (2) и крышки (3). Все корпусные детали изготовлены из алюминиевого сплава с последующей механической обработкой. В сборе корпус и крышка образуют патрубок всасывания и улитку насоса. Подводящий трубопровод подсоединяется к насосу посредством ниппельного соединения.

Диффузор насоса представляет собой отдельную точеную деталь, ввертываемую в корпус на резьбе. Соединение корпуса (2) с крышкой с корпусом насоса горючего производится шпильками.

Рабочее колесо: Рабочее колесо насоса представляет собой центробежную крыльчатку закрытого типа с односторонним входом, изготовленную отливкой из алюминиевого сплава.

Передача крутящего момента с вала на крыльчатку осуществляется эвольвентными шлицами.

Разгрузка колеса от осевых усилий и возврат па вход компонента, прошедшего через правое уплотнение, осуществляется с помощью трех отверстий в диске.

Уплотнение: Разделение полостей высокого и низкого давлений по буртам крыльчатки производится стальными лабиринтными кольцами, запрессованными в расточки крышки (3) и корпуса (2). Контровка колец осуществляется присечкой материала крышки и корпуса в нескольких местах по окружности. Уплотнение по валу обеспечивается манжетами, стойкими к продукту 030, и дренажами.



3. Крепление ТНА на двигателе

Турбонасосный агрегат крепится на раме над камерами так, что его ось перпендикулярна к осям камер.

Крепление к раме осуществляется в трех точках; две из этих точек (цапфы 38, сеч. АА) располагаются на корпусе насоса окислителя, а третья на насосе горючего (приливы в нижней части корпуса). Конструкция опор ТНА такова, что позволяет избежать возникновения дополнительных нагрузок на агрегат при возможных деформациях рамы.

4. Описание работы ТНА

Первоначальная подача продукта 030 (перекиси водорода) в газогенератор осуществляется самотеком при включенном наддуве бака с продуктом 030. Образующийся в газогенераторе парогаз поступает на лопатки турбины. ТНА с залитыми к этому моменту насосами начинает работать и дальнейшее увеличение давления перекиси осуществляется насосом продукта 030.

Выключение ТНА производится после перехода двигателя на режим первой промежуточной ступени перекрытием клапана продукта 030 перед газогенератором.



Список использованной литературы

1. Овсянников Боровский Теория и расчет агрегатов питания ЖРД Машиностроение М 1971г. 540стр.

2. Горенов Максумова Газодинамический расчет турбонасосных агрегатов. Учебное пособие

3. Гахун Г. Г. Атлас конструкций ЖРД (описания) часть 2 М 1973г. 55 стр.

4. Гахун Г. Г. Атлас конструкций ЖРД часть 2 М 1973г. 108 стр.

5. Глушко В. П. Альбом конструкций ЖРД часть третья М 1969г. 204 стр.

Размещено на Allbest.ru

...