Войти
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 перекачка 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.
Ракета Фау-2 использовала турбонасос круглого сечения для наддува топлива. Насосы высокого давления для более крупных ракет обсуждались первопроходцами в области ракетостроения, такими как Герман Оберт. В середине 1935 года Вернер фон Браун инициировал проект топливного насоса на юго-западной немецкой фирме Klein, Schanzlin amp; Becker, которая имела опыт создания больших противопожарных насосов. В конструкции ракеты V-2 для питания неконтролируемого турбонасоса, производимого на заводе Heinkel в Йенбахе, использовалась перекись водорода, разложенная через парогенератор Walter, поэтому турбонасосы V-2 и камера сгорания были испытаны и согласованы, чтобы предотвратить избыточное давление насоса в камере. Первый двигатель успешно заработал в сентябре, а 16 августа 1942 года пробная ракета остановилась в воздухе и разбилась из-за отказа турбонасоса. Первый успешный пуск Фау-2 состоялся 3 октября 1942 года.
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.
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.
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, потому что 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 указал на неисправность 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 была связана с выходным диффузором насоса, который был слишком маленьким и недостаточно охлаждаемым 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 расход 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.
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. В Electron ракеты Рутерфорд стал первым двигателем, чтобы использовать электроприводные турбонасосы в полете в 2018 году.
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 превращает высокую кинетическую энергию в высокое давление (сотни бар - не редкость), и, если противодавление на выходе не слишком велико, можно достичь высоких скоростей потока.
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.
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, были едко описаны как «турбонасос с прикрепленной ракетой» - до 55% общей стоимости приписывается этой области.
Общие проблемы включают:
Кроме того, решающее значение имеет точная форма самого ротора.
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 баках часто невозможно; высокое давление, необходимое для требуемой скорости потока, потребует сильных и тяжелых резервуаров.
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели также обычно оснащены турбонасосами, при этом турбина приводится в движение 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.
