Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья про топливный насос. Для турбинных устройств для создания высокого вакуума см. Турбомолекулярный насос . Для автомобильного воздушного насоса см. Турбокомпрессор и нагнетатель .
Осевой турбонасос, разработанный и изготовленный для ракетного двигателя М-1.

ТНА является пропеллент насос с двумя основными компонентами: а центробежный насос и приводной газовой турбины , как правило , и установлены на одном валу, а иногда и направлены вместе. Турбонасос предназначен для производства жидкости под высоким давлением для подачи в камеру сгорания или для других целей.

Есть два типа турбонасосов: центробежный насос , в котором перекачивание осуществляется путем выброса жидкости наружу с высокой скоростью, или насос с осевым потоком , в котором чередующиеся вращающиеся и статические лопасти постепенно повышают давление жидкости.

Насосы с осевым потоком имеют небольшой диаметр, но дают относительно небольшое повышение давления. Хотя необходимы несколько ступеней сжатия, насосы с осевым потоком хорошо работают с жидкостями с низкой плотностью. Центробежные насосы намного мощнее для жидкостей с высокой плотностью, но для жидкостей с низкой плотностью требуются большие диаметры.

История [ править ]

Ракета Фау-2 использовала турбонасос круглого сечения для наддува топлива.

Раннее развитие [ править ]

Насосы высокого давления для более крупных ракет обсуждались первопроходцами в области ракетостроения, такими как Герман Оберт . [ указать ] В середине 1935 года Вернер фон Браун инициировал проект топливного насоса на юго-западной немецкой фирме Klein, Schanzlin & Becker, которая имела опыт в создании больших пожарных насосов. [1] : 80 В конструкции ракеты V-2 для питания неуправляемого турбонасоса использовалась перекись водорода, разлагаемая парогенератором Walter [1] : 81, производимая на заводе Heinkel в Йенбахе , [2]поэтому турбонасосы V-2 и камера сгорания были испытаны и согласованы, чтобы предотвратить избыточное давление насоса в камере. [1] : 172 Первый двигатель успешно заработал в сентябре, а 16 августа 1942 года пробная ракета остановилась в воздухе и разбилась из-за отказа турбонасоса. [1] [ требуется проверка ] Первый успешный запуск Фау-2 состоялся 3 октября 1942 года. [3]

Разработка с 1947 по 1949 год [ править ]

Главным инженером по разработке турбонасосов в Aerojet был Джордж Боско . Во второй половине 1947 года Боско и его группа узнали о работе насосов других компаний и провели предварительные исследования конструкции. Представители Aerojet посетили Государственный университет Огайо, где Флорант работал над водородными насосами, и проконсультировались с Дитрихом Зингельманном , немецким экспертом по насосам в Wright Field. Впоследствии Bosco использовала данные Сингельмана при разработке первого водородного насоса Aerojet. [4]

К середине 1948 года компания Aerojet выбрала центробежные насосы как для жидкого водорода, так и для жидкого кислорода . Они получили от ВМФ несколько немецких радиально-лопастных насосов и испытали их во второй половине года. [4]

К концу 1948 года компания Aerojet спроектировала, построила и испытала насос для жидкого водорода (диаметр 15 см). Первоначально в нем использовались шарикоподшипники , которые работали чисто и всухую, поскольку низкая температура делала обычную смазку непрактичной. Насос сначала работал на низких оборотах, чтобы его детали остыли до рабочей температуры . Когда датчики температуры показали, что жидкий водород достиг насоса, была предпринята попытка разогнаться с 5000 до 35 000 оборотов в минуту. Насос вышел из строя, и осмотр деталей показал выход из строя подшипника, а также рабочего колеса.. После некоторых испытаний были использованы сверхточные подшипники, смазанные маслом, которое распылялось и направлялось потоком газообразного азота. При следующем запуске подшипники работали удовлетворительно, но напряжения были слишком велики для паяной крыльчатки, и она разлетелась. Новый изготовлен методом фрезерования из цельного куска алюминия . Следующие два запуска с новым насосом были большим разочарованием; приборы не показали значительного повышения расхода или давления. Проблема связана с выходным диффузоромнасоса, который был слишком мал и недостаточно охлаждался во время цикла охлаждения, что ограничивало поток. Это было исправлено добавлением вентиляционных отверстий в корпусе насоса; вентиляционные отверстия открывались во время охлаждения и закрывались, когда насос был холодным. С этим исправлением в марте 1949 года было выполнено два дополнительных прогона, и оба были успешными. Было обнаружено, что скорость потока и давление примерно соответствуют теоретическим предсказаниям. Максимальное давление составляло 26 атмосфер (26 атм (2,6 МПа; 380 фунтов на кв. Дюйм)), а расход - 0,25 кг в секунду. [4]

После 1949 г. [ править ]

The Space Shuttle главный двигатель турбонасосов «сек центрифугировали при 30000 оборотах в минуту в течение, обеспечивая 150 фунтов (68 кг) жидкого водорода и 896 фунтов (406 кг) жидкого кислорода к двигателю в секунду. [5] Electron ракеты Резерфорд стал первым двигателем использовать электрический управляемые турбонасосы в полете в 2018. [6]

Центробежные турбонасосы [ править ]

Основная статья: Центробежный насос
В центробежных турбонасосах вращающийся диск выбрасывает жидкость на обод.

Большинство турбонасосов являются центробежными - жидкость поступает в насос около оси, и ротор разгоняет жидкость до высокой скорости. Затем жидкость проходит через диффузор, который представляет собой постепенно увеличивающуюся трубу, что позволяет восстанавливать динамическое давление . Диффузор преобразует высокую кинетическую энергию в высокое давление (сотни бар - не редкость), и если противодавление на выходе не слишком велико, можно достичь высоких скоростей потока.

Осевые турбонасосы [ править ]

Основная статья: Осевой насос
Осевые компрессоры

Осевые турбонасосы тоже существуют. В этом случае ось по существу имеет пропеллеры, прикрепленные к валу, и жидкость вытесняется ими параллельно главной оси насоса. Как правило, осевые насосы имеют тенденцию давать гораздо более низкое давление, чем центробежные насосы, и несколько бар - не редкость. Однако они все еще полезны - осевые насосы обычно используются в качестве «индукторов» для центробежных насосов, которые повышают давление на входе центробежного насоса в достаточной степени, чтобы предотвратить возникновение в нем чрезмерной кавитации .

Сложности центробежных турбонасосов [ править ]

Турбонасосы имеют репутацию чрезвычайно сложных в разработке, обеспечивающих оптимальную производительность. В то время как хорошо спроектированный и отлаженный насос может обеспечивать КПД 70–90%, цифры меньше половины, что не редкость. Низкий КПД может быть приемлемым для некоторых приложений, но в ракетной технике это серьезная проблема. Турбонасосы в ракетах важны и достаточно проблематичны, поэтому ракеты-носители, использующие один из них, едко описывают как «турбонасос с прикрепленной ракетой» - до 55% общей стоимости приписывается этой области. [7]

Общие проблемы включают:

  1. избыточный поток от обода высокого давления обратно к входу низкого давления по зазору между корпусом насоса и ротором,
  2. чрезмерная рециркуляция жидкости на входе,
  3. чрезмерное завихрение жидкости на выходе из корпуса насоса,
  4. повреждающая кавитация на поверхностях лопаток рабочего колеса в зонах низкого давления.

Кроме того, решающее значение имеет точная форма самого ротора.

Привод турбонасосов [ править ]

Паровая турбина Приведено турбонасосов используются , когда есть источник пара, например , в котлах из паровых судов . Газовые турбины обычно используются, когда электричество или пар недоступны, а ограничения по месту или весу позволяют использовать более эффективные источники механической энергии.

Один из таких случаев - ракетные двигатели , которым необходимо перекачивать топливо и окислитель в камеру сгорания . Это необходимо для больших жидкостных ракет , поскольку заставить текучие среды или газы течь путем простого создания давления в резервуарах часто невозможно; высокое давление, необходимое для требуемой скорости потока, потребует сильных и тяжелых резервуаров.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели также обычно оснащаются турбонасосами, при этом турбина приводится в действие либо непосредственно внешним набегающим потоком набегающего воздуха, либо внутренним потоком воздуха, отводимым от входа в камеру сгорания. В обоих случаях выхлопной поток турбины сбрасывается за борт.

См. Также [ править ]

  • Турбодетандер
  • Газогенераторный цикл
  • Поэтапный цикл горения
  • Цикл экспандера

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Нойфельд, Майкл Дж. (1995). Ракета и Рейх . Смитсоновский институт . С. 80–1, 156, 172. ISBN 0-674-77650-X.
  2. ^ Ордуэй, Фредерик I, III ; Шарп, Митчелл Р. (1979). Ракетная команда . Apogee Books Space Series 36. Нью-Йорк: Томас Ю. Кроуэлл. п. 140. ISBN 1-894959-00-0. Архивировано из оригинала на 2012-03-04.
  3. ^ Дорнбергер, Вальтер (1954 - США перевод с немецкого) [1952 - V2: Der SCHUSS Ins Weltall , Esslingan: Bechtle Verlag]. Ф-2 . Нью-Йорк: Viking Press. п. 17 . Проверить значения даты в: |date=( помощь )
  4. ^ a b c "Жидкий водород в качестве топлива для силовых установок, 1945-1959" . НАСА .
  5. ^ Hill, P & Peterson, C. (1992) Механика и термодинамика движения. Нью-Йорк: Addison-Wesley ISBN 0-201-14659-2 
  6. ^ Брюгге, Норберт. «Электронная тяга» . B14643.de . Проверено 20 сентября 2016 года .
  7. ^ Ву, Юлин и др. Вибрация гидравлических машин. Берлин: Springer, 2013.

Внешние ссылки [ править ]

  • Книга ракетного движения
  • ML "Джо" Стангеланд (лето 1988 г.). «Турбонасосы для жидкостных ракетных двигателей» . Порог - инженерный журнал энергетических технологий . Рокетдайн . Архивировано из оригинала на 2009-09-24.