Уровень параметров и характеристики турбонасосных агрегатов (ТНА) современных

Уровень параметров и характеристики турбонасосных агрегатов (ТНА) современных ЖРД большой тяги Каналин Юрий Иванович Валуева Ольга Александровна

Этапные (крупные) разработки фирмы 1 2 3 4 РД100 – 103 РД107, 108 РД253 РД170, 180, 191 Ракета «А1» Восток, Союз Протон «Энергия – Буран», Атлас, Ангара

Турбонасосные агрегаты (ТНА) систем подачи топлива ЖРД большой тяги «А1» n = 3800 об/мин N = 370 кВт Протон n = 13900 об/мин N = 19100 кВт «7» n = 8300 об/мин N = 3800 кВт РД171М n = 13300 об/мин N = 180 МВт

Основные требования к ТНА Минимальные масса и габариты Высокое число оборотов Высокие к.п.д. агрегатов Высокие антикавитационные качества = const

Достигнуто на сегодня: снижение относительной массы: - в 47 раз; повышение коэффициента Руднева: с 800 до 19000; Нижеследующие рисунки иллюстрируют эти достижения: Достигнутый уровень в НПО Энергомаш в КБХМ (со снижением экономичности)

Формы проточной части насоса с высоким . при - применение бустерных насосов Понятие о Рассчитывается по величинам кавитационного запаса и расхода на входе в систему (бустерный насос) и по числу оборотов высокооборотного насоса.

Бустерные насосы ЖРД. 2. Шнековые. 1. Струйные. Шнековые БНА конструкции НПО Энергомаш имеют одновременно высокие кавитационные качества и высокий к.п.д.

Уровень параметров насосов ТНА.

Насос окислителя с турбиной Подогретый кислород Особенности конструкций насосов ОАО НПО Энергомаш

Проточная часть, одновременно обеспечивающая: высокий уровень кпд высокие антикавитационные качества низкий уровень выброактивности. Основные особенности проточной части оптимальная геометрия шнеков и входных патрубков; пространственные лопатки центробежного колеса; круглые каналы радиального диффузора; оптимальный зазор между кромками лопаток центробежного колеса и кромками лопаток (каналов) радиального диффузора; спиральный сборник и концевой диффузор оптимизированной геометрии.

Шарикоподшипники (ШП), охлаждаемые и смазываемые перекачиваемой жидкостью. Система автоматической разгрузки ШП от осевых сил (АРОС). 4. Уплотнения: - стыков высокого давления; - валов насосов (концевые); - стояночные. Датчики системы контроля состояния конструкции (n, PАР, ход вала, биение вала)

Агрессивная жидкость. 2. Режим развитой кавитации. Специфические условия эксплуатации. 3. Кипящая жидкость или двухфазная смесь. 4. Высокая виброактивность двигателя (и самого ТНА). Сочетание этих условий определяет надёжность и ресурс работы насоса эксплуатационный диапазон

Проектный расчёт ИД: прототипы, нормативные данные Схема проектирования насосов ТНА. Эскизное проектирование Расчёт вспомогательного гидравлического тракта 3D - модели Оптимизация системы АРОС Разработка математических моделей насосов и их узлов Расчёты: гидравлический, газодинамический ANSYS CFX Критические скорости валов Расчёты прочности и деформаций ANSYS CFX Оптимизация проточной части Расчёт характеристик

Программное обеспечение. Проектирование: Pro/ENGINEER, AutoCAD, ICEM CFD, ANSYS CFX Анализ работы (численное моделирование): MathCad PLUS, Excel, Graphic Tools

Максимальное использование опыта разработки ТНА ЖРД. 2. Максимально глубокая расчётная проработка конструкции в заданные сроки. 3. Технологическое обеспечение требований КД, использование высоких современных технологий производства, например: станки с ЧПУ; стереолитография и фотополимерные композиции; газоизостатическое прессование. Жёсткий контроль качества изготовления материальной части, использование компьютерных технологий контроля. 5. Прочностные испытания деталей или образцов; Тензометрирование; Виброиспытания. Система обеспечения работоспособности ТНА.

Автономные модельные испытания: насосы – на воде; турбины – на воздухе. Контроль параметров ТНА при работе в составе двигателя (30 датчиков). Оперативный анализ результатов испытания двигателя (200 датчиков); численное моделирование поведения параметров в нештатной ситуации. 9. Оперативное выполнение мероприятий, направленных на устранение дефектов. Реализация этого комплекса мер позволяет обеспечить высокую надёжность работы ТНА и, соответственно, надёжность работы ЖРД.

Основные проблемы при разработке ТНА перспективных ЖРД. 1. Глубокое дросселирование расхода. Стабильная форма H (V) – характеристики. Максимальные экономичность и антикавитационные качества в «одном флаконе». Снижение виброактивности, повышение запасов динамической прочности. Многоразовое использование. Снижение цены. 0,3 0,8 1 перспективные ЖРД существующие ЖРД

Гидравлика в составе ЖРД. Г О

Другая продукция Нефтяной подпорный насос НГПНА 3600 – 120 (представлен на рисунке). Магистральный НМЭ 3600 - 230 Пример внедрения опыта разработки насосов ЖРД в промышленность.

Перспективы фирмы. 1. Основное направление работ – адаптация готовых ЖРД к условиям эксплуатации во вновь проектируемых носителях. 2. Внедрение опыта разработки ТНА ЖРД: перекачка и переработка нефти; энергетика; химическая промышленность.

Литература 1. Овсянников Б.В., Боровский Б.Н. Теория и расчёт агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей//М.: Машиностроение, 1986. 2. Петров В.И., Чебаевский В.Ф., Баньковская И.В. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах//М.: Машиностроение, 1982 3. Валюхов С.Г., Демьяненко Ю.В., Пертров В.И. Высокооборотные лопастные оседиагональные насосы//Воронеж: Воронежский государственный университет, 1996. 4. Беляев Е.Н., Чванов В.К., Черваков В.В. Математическое моделирование рабочего процесса жидкосных ракетных двигателей//М.: МАИ, 1999. 5. Труды НПО Энергомаш. 6. Труды КБХА.

гладкая труба (закон Прандтля) чистый керосин Керосин+ПИБ