Основные технические данные

5.2. Турбина

Турбина - реактивного типа, дозвуковая, одноступенчатая, осевая. Рабочее тело - окислительный газ, образующийся в газогенераторе.

Турбина (рис. 13) состоит из ротора 1, статора с сопловым аппаратом 2 и коллектором 3 с патрубками.

Ротор турбины состоит из рабочего колеса турбины 1 и вала 2. Рабочее колесо соединено с валом посредством фланцевого соединения винтами. Передача крутящего момента от рабочего колеся к валу осуществляется с помощью штифтов.

Лопатки и диск, из которых состоит рабочее колесо турбины, отлиты из жаропрочного сплава как одно целое. Лопатки по высоте имеют переменный профиль.

Вал ротора выполнен из нержавеющей стали. На поверхности вала выфрезерованы прямоугольные шлицы для посадки крыльчатки шнеков и отражателя насоса окислителя. Внутри вала выполнены эвольвентные шлицы для соединения вала с рессорой.

Статор турбины 2 представляет собой сварную конструкцию в которой расположен сопловой аппарат. Все детали статора и коллектора выполнены из жаропрочного сплава.

5.3. Насос окислителя

Насос (рис. 13) предназначен для подачи окислителя в газогенераторы и струйный преднасос.

Основным рабочим элементом насоса является крыльчатка закрытого типа с двухсторонним входом. Крыльчатка отлита из высокопрочного алюминиевого сплава и для защиты от коррозии фосфатируется.

На входе в крыльчатку установлены шнеки 15,изготовленные из нержавеющей стали. Для предотвращения местного нагрева и возгорания материала из-за возможного появления надиров и наклепов посадочные места и торцы шнеков омеднены, а между шнеками и крыльчаткой введены медные кольца.

Корпус насоса выполнен в виде отливки из высокопрочного алюминиевого сплава и для защиты от коррозии анодирован.

Полости высокого и низкого давления насоса разделяются посредством установки на бурты крыльчаток плавающих лабиринтных уплотнений. Полости турбины и насоса окислителя разделяются гидрозатвором лабиринтного типа 4, также выполняющего роль авторазгрузочного устройства компенсирующего осевое усилие от турбины. Уплотнение по валу со стороны крышки 7 состоит из гидрозатвора, сильфонного и манжетного уплотнений.

Для обеспечения компенсации тепловых расширений корпуса насоса и вала внешняя обойма подшипника 9 в корпусе не зафиксирована. Для исключения проворота вала относительно подшипника внутренняя обойма последнего устанавливается на вал с гарантированным натягом.

5.4. Насос горючего

Насос (рис. 14) предназначен для подачи горючего в камеру сгорания, газогенераторы и рулевую машинку.

Насос горючего центробежного типа, двухступенчатый. Основными рабочими элементами насоса являются крыльчатки первой и второй ступени. Крыльчатка первой ступени насоса горючего закрытого типа с двухсторонним входом отлита из высокопрочною алюминиевого сплава и по конструкции мало отличается от крыльчатки насоса окислителя. Для улучшения всасывающей способности насоса на входах в крыльчатку установлены шнеки 5. Шнеки изготовлены из нержавеющей стали.

Крыльчатка второй ступени насоса закрытого типа с односторонним входом и отлита из высокопрочного алюминиевого сплава.

Вал насоса 1 изготовлен из конструкционной стали. На валу выфрезерованы прямоугольные шлицы для посадки крыльчатки 12 и шнеков 5 и две шпоночные канавки для посадки крыльчатки 10. Со стороны насоса окислителя вал имеет внутренние эвольвентные шлицы для рессоры.

Для замера числа оборотов ТНА на валу 1 установлен магнитопровод 15 с шестнадцатью выступами. В нижней части корпуса первой ступени насоса имеется отверстие для установки датчика 11.

Корпус насоса 4, являющийся общим для обеих ступеней, крышки 3 и 7 и крышки уплотнений изготовлены из алюминиевого сплава.

В крышках 3 и 7 имеются места для установки подшипников и уплотнений.

Подшипник 5 кроме радиальных нагрузок воспринимает осевые усилия, возникающие при работе насоса. Подшипник работает в среде консистентной смазки.

Для обеспечения компенсации тепловых расширений корпуса насоса и вала внешняя обойма второго подшипника 1 не зафиксирована относительно корпуса. Подшипник смазывается и охлаждается горючим, поступающим через зазор лабиринтного уплотнения. От подшипника компонент по каналу в корпусе и крышке насоса поступает в полость низкого давления первой ступени насоса.

Входные полости первой и второй ступеней насоса, а также полости высокого и низкого давления в каждой ступени, разделены плавающими лабиринтными уплотнениями.

Уплотнение насоса со стороны крышки 3 состоит из гидрозатвора и манжетного уплотнения.

5.5. Узлы уплотнений

Полости высокого и низкого давления насосов разделяются посредством установки на бурты крыльчаток плавающих лабиринтных уплотнений (рис.15). Обойма 1 выполнена из алюминиевого сплава, опорное кольцо 4 - из нержавеющей стали, лабиринт 3 из высокопрочного алюминиевого сплава. С целью предотвращения надиров материала лабиринт подвергается твердому анодировнию. На торцевую поверхность опорного кольца 4 наплавлен стеллит для уменьшения износа в месте контакта.

При работе насоса лабиринт 3 прижимается давлением компонента (окислителя) к торцевой поверхности опорного кольца 4. Компонент может протекать только через малый диаметральный зазор (0,4 мм) между лабиринтом 3 и крыльчаткой 6. Благодаря высокому гидравлическому сопротивлению зазора перетекание компонента сводится к минимуму.

Гидрозатвор лабиринтного типа (рис. 16), расположенный между турбиной и насосом окислителя во фланце коллектора турбины.

При работе насоса окислитель из полости высокого давления подводится по каналу в корпусе 6 (рис. 13) и втулке 16 в кольцевую полость (в) коллектора турбины, а затем через радиальные отверстия в стакане 3 в полость гидрозатвора (г). Давление «О» и в полости гидрозатвора на любом режиме работы ТНА превышает давление газов в полости турбины. При работе насоса лабиринты 2 и 8 прижимаются давлением окислителя к торцевым поверхностям опорного кольца 5 и опорного стакана 1. Окислитель может перетекать только через диаметральный зазор (0,3 мм) между лабиринтами 2 и 8 и валом 9. Благодаря высокому гидравлическому сопротивлению щели перетекание окислителя в полость турбины сводится к минимуму. Окислитель, просочившийся через зазоры уплотнения в полость (б) авторазгрузочного устройства, отводится в полость низкого давления насоса через шестнадцать отверстий в крышке 19 и корпусе 16.

Осевое усилие, возникающее на рабочем колесе турбины и в насосе при работе ТНА, разгружается автоматически при помощи авторазгрузочного устройства (рис. 16). В полость (а) компонент подводится из полости высокого давления через канал в корпусе насоса и паз в кольце 15. Полость (б) сообщается через шестнадцать отверстий, просверленных в крышке 19 и корпусе 16, с полостью низкого давления насоса. Конический лабиринт 18 плавающего типа упирается в торцевую поверхность неподвижной крышки 19, при этом зазор между коническими поверхностями диска 10 и лабиринта 18 является жиклирующим элементом. Расход окислителя через этот зазор смазывает н охлаждает подшипник.

Возникающая при работе ТНА разность между уравновешивающим осевым усилием, которое определяется перепадом давления на диске 10, и осевым усилием от турбины вызывает перемещение ротора, что влечет за собой изменение зазора между коническими поверхностями диска 10 и лабиринта 18, а, следовательно, и соотношения давлений, действующих на диск 10, в результате, чего осевое усилие от турбины компенсируется уравновешивающим осевым усилием на диске 10.

Уплотнение по валу со стороны крышки 7 (рис. 13) состоит из гидрозатвора (импеллера), сильфонного и манжетного уплотнений (рис. 17).

Гидрозатвор (импеллер) работает подобно центробежному насосу: при вращении вала лопатки отражателя 4 отбрасывают компонент к периферии. Благодаря работе гидрозатвора давление перед сильфонным уплотнением снижается.

Сильфонное уплотнение - уплотнение контактного типа. Окислитель, просочившийся между контактирующими между собой втулкой 2 и кольцом 16 во внутреннюю полость сильфона, поступает через четыре паза б в дренажную полость (а), откуда отводится по дренажному трубопроводу.

В крышке 6 размещаются три резиновых манжетных уплотнения 8, препятствующих попаданию окислителя в полость подшипника 9 и вытеканию смазки из него.

В крышке уплотнений 10 размещаются два манжетных уплотнения 12, предотвращающих попадание в полость подшипника 9 посторонних частиц (пыли, грязи и т. п.) и вытекание смазки из него.

5.6. Работа турбонасосного агрегата

После срабатывания пиромембранных клапанов на входных магистралях двигателя, под действием гидростатического давления столба жидкости и давления наддува баков компоненты топлива поступают в полости насосов. Из насоса окислителя и второй ступени насоса горючего компоненты поступают и основной газогенератор, а горючее из первой ступени насоса «Г»в камеру сгорания.

Газ, полученный при сгорании компонентов топлива в ГТ, поступает к лопаточному сопловому аппарату турбины. Откуда поступает на рабочее колесо, приводя его во вращение. Отработанный газ, выходя с лопаток турбины, поступает в коллектор, откуда по газоводам проходит в ФГ камеры сгорания.

Принцип работы обоих насосов одинаков. Через входной патрубок компонент топлива поступает в заборники насоса, по которым он подводится к шнекам. Из шнеков компонент поступает в крыльчатку. В каналах крыльчатки жидкость подхватывается лопатками и отбрасывается с большой скоростью к периферии. При этом происходит увеличение давления жидкости. Из крыльчатки жидкость поступает в улитку.

При движении жидкости по диффузору скорость ее движения уменьшается, а давление возрастает. При выключении двигателя происходит отсечка линий питания газогенератора окислителем и горючим. Поступление рабочего тела от газогенератора к турбине прекращается и турбонасосный агрегат останавливается.

6. Газогенераторы, смеситель

6.1. Газогенератор ТНА

Газогенератор предназначен для создания рабочего тела - газа, необходимого для привода турбины ТНА и наддува бака «О» ракеты через смеситель.

Двухзонный газогенератор (рис. 18) представляет собой неразъемную сварную конструкцию, состоящую из плоской форсуночной головки 1, пояса разбавления и наружной рубашки. Детали наружной рубашки образуют сферическую поверхность.

Соединение деталей и узлов газогенератора осуществлено путем сварки и пайки.

Форсуночная головка (рис. 19) состоит из внутреннего 8, среднего и наружного 4 днищ, приваренных к силовому кольцу 6. Внутреннее и среднее днища образуют полость окислителя, а среднее и наружное - полость горючего. Для уменьшения объема полости горючего в ней имеется заполнитель 3, закрепленный кольцом 1 и крючками 5.

На форсуночной головке расположено 85 форсунок горючего и 288 форсунок окислителя. Схема расположения форсунок - сотовая. Форсунки горючего припаяны к внутреннему и среднему днищам, форсунки окислителя - к внутреннему днищу.

Пояс разбавления (рис. 18) состоит из стенки 5, рубашки 6, дефлектора 7 и 32 распылителей 8, установленных в два ряда в шахматном порядке. В распылителях имеются отверстия, диаметры, количество и схема расположения которых в распылителях выбраны из условия обеспечения равномерности поля температур газа на выходе из газогенератора. Для обеспечения вибропрочности распылителей второго от ФГ ряда к ним приварена цилиндрическая обечайка 10.

К днищу 2 приварены две проушины 19 и кронштейн 17 для крепления узлов двигателя. На кронштейн 16 устанавливается вибродатчик, на швеллеры 18 -держатели под датчики давления.

Детали наружной рубашки изготовлены из высокопрочной нержавеющей стали, распылители из жаропрочной стали, внутреннее днище - из специальной бронзы с припайкой к нему со стороны окислителя фольги толщиной 0,1 мм из стали Х18Н9. Остальные детали газогенератора изготавливаются из нержавеющей высоколегированной стали.

На периферийную часть внутреннего днища (со стороны огневой полости), на внутренние поверхности колец 6, 9 (рис. 18) и обечайки 10 нанесено жаростойкое циркониевое покрытие с подслоем нихрома для защиты от теплового и эрозионного воздействия горячих газов. На огневую поверхность днища 8 (рис.19) наносится покрытие из пористого хрома.

Работа газогенератора. Горючее подается через фланец 2 (рис. 19) на форсуночную головку, откуда через форсунки - во внутреннюю полость газогенератора. Окислитель подводится в ГГ через два фланца 3 (рис. 18). Около 70% окислителя проходит в форсуночную головку и распыливается форсунками, остальная часть окислителя проходит по каналам, образованным рубашкой 6 и оребренной стенкой 5, охлаждая последнюю. Далее окислитель через отверстия в рубашке 6 поступает в полость Р и через отверстия в распылителях впрыскивается во внутреннюю полость газогенератора против потока газа. Заданное распределение расходов между форсуночной головкой и поясом разбавления обеспечивается подбором проходного сечения между рубашкой 6 и стенкой 5.

Указанная схема обеспечивает протекание процесса образования окислительного газа в газогенераторе в двух зонах. Около форсуночной головки происходит смешение и сгорание компонентов топлива с образованием газа повышенной температуры (первая зона). В зоне распылителей продукты сгорания, поступившие из первой зоны, разбавляются окислителем для снижения температуры их до требуемого уровня (вторая зона). С целью улучшения условий охлаждения стенок ГГ расходы через расположенные в периферийной зоне форсунки окислителя 10 (рис. 19) и форсунки горючего подобраны таким образом, чтобы температура пристеночного слоя была ниже, чем температура «ядра».