Лекция 5. Лопастные насосы.

1) насосный агрегат должен обеспечивать беспрерывную подачу необходимого количества компонентов в камеру сгорания под заданным давлениям с возможно более высоким к.п.д.;

2) габариты и масса насосного агрегата должны быть минимальными, а следовательно, угловая скорость агрегата должна быть максимально возможной;

3) стоимость изготовления насосного агрегата должна быть минимальной;

4) насосный агрегат должен обеспечивать нормальную работу двигателя на различных режимах.

Эти общие требования к насосному агрегату конкретизируются и дополняются в зависимости от назначения и схем. Дополнительные требования уточняются при рассмотрении конкретной системы питания.

Перечислив общие требования к насосному агрегату, сформулируем дополнительные требования к насосам и двигателям, применимым для их привода.

ТРЕБОВАНИЯ К НАСОСАМ.

Требования к насосам почти целиком определяются такими параметрами двигательной установки, как тяга, давление в камере сгорания, физико-химическими свойствами компонентов, давлением в баках и т.п. Эти требования таковы:

1) насос должен быть приспособлении для работы с агрессивными жидкостями, каким являются высококипящие и низкокипящие (криогенные) окислители топлива: азотная кислота и ее производные, перекись водорода, жидкий фтор, жидкий кислород и т.п.

При работе на окислителях недопустимо трение между деталями насоса, которое приводит к местному нагреву внутренних частей насоса, возгоранию и даже взрыву насоса. Ввиду этого насосы, в которых имеются трущиеся пары, могут оказаться непригодными;

2) насосы должны обладать высоким антикавитационными свойствами, т.е. они должны быть работоспособными при малых давлениях на выходе. Чем меньше допустимое давление на входе в насос, тем меньше необходимое давление в баке компонента, а это приводит к уменьшению массы бака и уменьшению массы всей двигательной установки;

3) насос должен иметь такую характеристику (зависимость создаваемого напора от расхода жидкости), которая обеспечивала бы устойчивую работу системы питания как на основных, так и на переходных режимах работы двигателя.

При работе насоса должна быть исключена возможность срыва режима или возникновения колебания параметров насоса (напор, расход) под влиянием малых случайных отклонений в сопротивлении системы питания.

Это – основные, общие, требования к насосам. В отдельных частных случаях эти требования могут видоизменяться и возникать специфические требования.

ТРЕБОВАНИЯ К ДВИГАТЕЛЯМ ПРИВОДА

НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ.

Сформулируем дополнительные требования к двигателям привода насосов, учитывая, что многие требования к двигателю вошли в общие требования к насосному агрегату:

1) двигатель привода должен иметь высокую угловую скорость и, как правило, обеспечивать привод насосов без применения специальных передающих момент устройств (например, шестеренчатого перебора);

2) в двигателе должен использоваться такой источник энергии, который не требует значительного увеличения массы ракеты. В случае, когда использованное рабочее тело выбрасывается в атмосферу, , двигатель привода насосов должен иметь высокие значения мощности, отнесенной к еденице массы расходуемого тел;

3) двигатель должен легко переводится с одного режима на другой.

Учитывая сформулированные выше требования, выясним, какие типы насосов и двигателей лучше всего подходят для применения их в жидкостных ракетных двигателях.

СРАВНЕНИЕ НАСОСОВ И ДВИГАТЕЛЕЙ

РАЗНЫХ ТИПОВ.

НАСОСЫ.

Имеется много типов насосов, действующих по разным принципам и конструктивно различных между собой.

Разберем кратко принцип действия и основные свойства насосов применительно к требованиям, предъявляемым к насосам системы подачи. Мы будем рассматривать лишь механические насосы. Для перекачки токопроводящих жидкостей, в частности, металлов, применяются электрические и электромагнитные насосы различных типов.

По принципу действия механические насосы можно разбить на четыре основные группы: лопастные, объемные, насосы трения иструйные.

1. Объемные насосы.

Объемные насосы работают по принципу вытеснения. Жидкость в этих насосах проталкивается в нагнетающую магистраль каким-нибудь движущимся органом. Давление, развиваемое объемным насосом, зависит от гидравлического сопротивления напорной магистрали за насосом и практически ограничивается лишь утечкой через зазоры и прочностью деталей насоса.

В основном применяются объемные насосы трех типов:

1. Поршневые, в которых вытеснение жидкости в область повышенного давления, а также засасывание жидкости производится поршнем, приводимым в движение при помощи кривошипно-шатунного механизму от вала какого-либо двигателя. Засасывание и подача жидкости осуществляются через управляемые или автоматические клапаны.

2. Шестеренчатые или винтовые.

Эти насосы устроены таким образом, что роторы, выполненные в виде зубчатых шестерне или винтов, вращаясь с небольшим зазором в корпусе насоса, отсекают от полости всасывания объем жидкости, попавший в полость между зубьями и корпусом, и выталкивают его в полость повышенного давления.

3.Коловратные.

Коловратные насосы устроены таким образом, что лопатки, перемещающиеся в радиальных пазах эксцентрично вращающегося ротора, отсекают жидкость от полости всасывания и переносят ее в полость повышенного давления.

Основные преимущества объемных насосов:

1) возможность получения больших напоров;

2) независимость величины расхода от давления подачи. Теоретически характеристика этих насосов (зависимость давления, развиваемого насосом, от расхода, протекающего через насос, без учета изменения величины утечки через зазоры) представляется вертикальной линией;

3) высокий к.п.д.;

4) возможность работы на двухфазовой жидкости.

Объемные насосы с малыми зазорами между рабочими органами и корпусом являются самовсасывающими насосами, т.е. такими насосами, которые могут работать без заливки, откачивая вначале газы и пары, а затем жидкость.

Недостатки, свойственные объемным насосам:

1) большие масса и габариты, особенно при больших расходах;

2) небольшая угловая скорость (из-за опасности большого износа), особенно в случая использования в передачи кривошипно-шатунного механизма. Как следствие этого, для объемных насосов характера ограниченная производительность при заданных массе и размерах;

3) наличие трущихся поверхностей может привести к местному нагреву, что недопустимо при перекачке окислительных топлив ЖРД.

Область применения объемных насосов в качестве основных (малые расходы и большие напоры) совпадает с областью применения вытеснительной подачи (малые импульсы), имеющей преимущества в отношении массы и конструктивной простоты. В отдельных случаях объемные насосы могут применяться как стендовые.

2. Насосы трения.

В насосах трения подвижный элемент увлекает жидкость благодаря наличию сил вязкости. На рисунке приведен дисковый насос трения, состоящий из подвода 1, дискового колеса 2 и спирального отвода 3.

Дисковое колесо состоит из нескольких тонких дисков, скрепленных между собой заклепками на периферии таким образом, чтобы между дисками оставались небольшие зазоры для прохода жидкости. Принцип действия дискового насоса заключается в следующем. При вращении колеса жидкость, находящаяся в зазоре между дисками, закручивается в результате трения о диски, благодаря чему создается насосный эффект.

Преимущества дисковых насосов заключаются в их высоких антикавитационных качествах. Дисковые насосы могут работать при более низких давлениях на входе, чем, например, лопаточные насосы. Это объясняется тем, что при обтекании входных кромок дисков возникает меньшее разрежение, чем при обтекании лопаток.

Недостатками дисковых насосов трения являются:

1) низкий к.п.д. (обычно меньше 0,4);

2) большие габариты при больших расходах и напорах;

3) сильная зависимость характеристик насосов от физических свойств и температуры перекачиваемого компонента топлива.

Эти недостатки ограничивают применение дисковых насосов в качестве основных наосов ЖРД. Они могут применяться в качестве вспомогательных ступеней насосов для улучшения их антикавитационных качеств. Заслуживают внимания насосы, представляющие собой комбинацию насоса трения и лопаточного насоса.

3. Струйные насосы.

Струйный насос (эжектор) включает в себя сопла 1, камеру смешения 2, диффузор 3 и конфузор 4. В сопло 1 подается жидкость под большим давлением (эжектирующая жидкость). Во входную часть камеры смешения поступает эжектируемая жидкость с малым давлением и скоростью. В сопле 1 эжектируемая жидкость увеличивает свою кинетическую энергию за счет падения давления и затем поступает в камеру смешения. В камере смешения в процессе перемешивания происходит передача энергии от эжектирующей жидкости к эжектируемой.

В результате этого на выходе из камеры смешения механическая энергии одного килограмма массы перемешанной жидкости становится больше, чем энергия эжектируемой жидкости на входе в камеру смешения. В диффузоре давление перемешанной жидкости увеличивается до давления , большего чем . Преимущество струйных насосов заключается в их конструктивной простоте и надежности. Струйные насосы могут применяться в ЖРД в качестве вспомогательных (бустерных) насосов перед основными насосами для повышения антикавитационных качеств насосной системы подачи.

Недостатки струйных насосов:

1) низкий к.п.д.;

2) небольшие напоры, которые они могут обеспечить.

4. Лопастные насосы.

Лопастной насос представляет собой разновидность лопастной машины. В лопастном насосе преобразование механической энергии идет на валу насоса в энергию жидкости совершается во вращательных каналах, образованных лопатками. Для лопастных насосов характерно обтекание вращающихся лопаток потоком жидкости. Лопастные насосы разделяются на два основных типа – центробежные и осевые насосы.

В центробежном насосе перемещение частицы жидкости в рабочем колесе происходит при существенном увеличении ее расстояния от оси вращения. В преобразовании энергии в центробежном насосе большую роль играют кориолисовы силы инерции. В осевом насосе перемещение частицы жидкости происходит при незначительном изменении ее расстояния от оси. В преобразовании энергии в осевых насосах основную роль играет циркуляционное обтекание лопаток. Кроме центробежных и осевых насосов, существую лопаточные насосы промежуточного типа – диагональные насосы.

Центробежные насосы обычно применяются при потребных напорах, превышающих 1000 Дж/кг.

Область применения одноступенчатых осевых насосов в качестве основных, как правило, относится к меньшим напорам и особенно большим расходам – превышающим 150-200 л/сек. Если применить многоступенчатые осевые насосы, можно получить достаточно большие напоры. В ЖРД осевые насосы применяются в основном в качетсве первых ступеней насосов; в частности, нашел широкое применение шнековый насос (шнек). Рабочее колесо шнека имеет 2-3 длинные лопатки, охватывающие втулку колеса на угле, превышающем 180 . Лопатка шнека спрофилирована по высоте по определенному закону. Шнек создает небольшой напор, но может обеспечивать большие расходы. Недостатком шнекового насоса является невысокий к.п.д., достигающий 0,5. Шнеки обладают хорошими антикавитационным свойствами. Поэтому шнековые насосы нашли применение в качестве ступеней, улучшающих антикавитационные свойства насосов.

Лопаточные насосы имеют следующие положительные свойства:

1) возможность обеспечения практически любых напоров и расходов жидкости;

2) возможность работы на высоких угловых скоростях;

3) небольшая масса насоса;

4) малые габариты насоса;

5) возможность работы на агрессивных жидкостях вследствие отсутствия трущихся пар;

6) удобство привода от электродвигателей и турбин;

7) минимальное количество движущихся частей.

Отрицательными качествами лопаточных насосов являются:

1) сравнительно небольшая величина к.п.д. насоса (обычно не более 0,8-0,85)

2) изменение развиваемого насосом напора при изменении расхода.

Разновидностью центробежных лопаточных насосов является вихревой насос. Колесо с небольшими выфрезерованными на периферии лопатками вращается в корпусе так, что между корпусом и колесом имеется кольцевой канал постоянного сечения. Входное и выходное отверстия разделены перемычкой, прилегающей (с малым зазором) к колесу. Жидкость захватывается лопатками, проходит по межлопаточному каналу и выбрасывается в кольцевой канал кожуха. Двигаясь по кольцевому каналу, жидкость до выхода из насоса многократно поступает в межлопаточные каналы. В известной мере, вихревой насос действует как многоступенчатый центробежный насос.

Преимущество вихревого насоса состоит в том, что при данной окружности скорости колеса напор вихревого насоса получается большим, чем у центробежного (почти в два раза). Вихревые насосы обладают хорошей всасывающей способностью. При малой производительности (до 10 л/сек) вихревой насос может иметь более высокий к.п.д., чем центробежный насос, а при Q>10 л/сек к.п.д. вихревых насосов меньше, чем у центробежного лопаточного насоса..

Из краткого рассмотрения различных типов насосов можно заключить, что в отдельных случая все рассмотренные виды насосов могут найти применение в системах питания ЖРД. Но при сравнительно больших расходах агрессивной жидкости лопаточные насосы наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к насосам систем питания ЖРД, поэтому лопаточные насосы нашли широкое применение в системах питания ЖРД. При дальнейшем изложении курса теория и расчет лопаточных насосов будут рассмотрено подробно.

Отметим особенность современных насосов. В настоящее время характерно применение комбинированных лопаточных насосов, состоящих из лопаточных ступеней различного типа. В комбинированных лопаточных насосах используются лучшие свойства каждого из типов лопаточных насосов. Наибольшее распространение получило сочетание шнековой ступени с центробежной, установленных на одном валу. Такой насос называется шнеко-центробежным. Он обладает высокими антикавитационными и напорными качествам.

В системе питания находит также применение сочетание шнеко-центробежного насоса со вспомогательными (бустерными) струйными или лопаточными насосами.