Совершенствование уплотнительных узлов в турбонасосных агрегатах

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки

Библиографические ссылки

1. Меновщиков В. А., Ереско С. П. Исследование и совершенствование игольчатых подшипников карданных передач транспортно-технологических машин : монография. Красноярск : Изд-во КрасГАУ, 2006. 283 с.

2. Беркович И. И., Громаковский Д. Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения : учебник для вузов / под ред. Д. Г. Гро-

маковского ; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. 268 с.

3. Регель В. Р., Слуцкер А. И. Структурно-динамическая гетерогенность - основа физики разрушения твердых тел // Соросовский образовательный журнал. Т. 8. № 1. 2004. С. 86-92.

© Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т. 2014

УДК 621.22

А. А. Орлов Научный руководитель - С. П. Ереско Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ В ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТАХ

Рассматриваются основные проблемы и вопросы, связанные процессами, возникающими в узлах уплотнений вращающегося вала в турбонасосных агрегатах.

Уплотнения в ТНА выполняют специфические функции: герметизируют газовые полости турбины от насосов, разделяют полости насосов, предотвращая утечки компонентов или прорыв газа в проточную полость насоса из полости турбины, уплотняют полости подшипников. От их работы зависит объемный КПД насоса или турбины и общий энергетический баланс ТНА. По статистике 60 % выходов из строя ТНА связанны с нарушением работы уплотнений

В уплотнениях агрегатов подачи ЖРД применяются уплотнения с гарантированным зазором и прирабатывающиеся уплотнения. Среди них можно выделить: уплотнения с плавающими кольцами, уплотнения с полуподвижными кольцами, щелевые уплотнения, лабиринтные уплотнения, прирабатывающиеся уплотнения с полуподвижными кольцами, прирабатывающиеся щелевые уплотнения. При использовании прирабатывающихся уплотнений во время работы агрегата между элементами ротора и уплотнения имеется механический контакт, что ведет либо к местной приработке и выработке уплотнения, либо к приработке по всей окружности. Использование прирабатывающихся уплотнений требует применения специальных легко прирабатывающихся материалов. В то же время следует отметить, что в случае применения в агрегате прирабатывающихся уплотнений характеристики агрегата могут изменяться от пуска к пуску агрегата вследствие выработки элементов уплотнения.

Особые требования предъявляются к уплотнениям, работающим во взрыво- и пожароопасных средах, использующихся в качестве компонентов топлива современных ЖРД, таких как жидкие и газообразные кислород [1] и водород, высокотемпературный газ с избытком водорода или высокотемпературный окислительный газ. Применяемые конструкции уплотнений роторных машин, работающие при значительных перепадах давления (до 50 МПа) и скоростях перемещений уплотняющих поверхностей (до 500 м/с), созданы путем длительных опытных отработок на кон-

кретные параметры. Ошибки и недочеты в расчете и конструировании уплотнений ТНА ЖРД приводят к повышенному износу элементов уплотнений, наклепам, фреттингу и могут служить причиной заклинивания ротора и возгорания узла уплотнения [2]. Одной из основных проблем при конструировании уп-лотнительных узлов является выбор материалов. Так, для турбонасосных агрегатов ракетных двигателей важнейшее значение имеет совместимость материала уплотнений с компонентами ракетного топлива и обеспечение работоспособности узлов как при низких температурах (до 20 °К) в криогенных жидкостях, так и высоких (до 1300 °К) в узлах турбин. Низкая температура жидкого рабочего топлива для уплотнений ТНА является причиной возникновения значительных температурных градиентов, если уплотнительный узел находится вблизи газовых полостей и трактов турбины. Дополнительные проблемы возникают также из-за тепловыделения между уплотняющими поверхностями (из-за сухого, жидкостного или комбинированного трения) при высоких скоростях скольжения. При проектировании уплотнений необходимо учитывать деформации деталей от перепада давления, центробежных сил и температурных воздействий. Для минимизации влияния этих деформаций на работоспособность и повышения эффективности уплотнения стараются уплотняющие поверхности разместить на возможно меньшем диаметре. Это способствует снижению утечек через уплотнение, так как утечка прямо пропорциональна рабочему зазору и квадрату [3] диаметра уплотняемого ротора, однако при этом ухудшается теплоотвод от зоны контакта и увеличивается частота деформаций губки манжеты, обусловленная биением уплотняемого вала. На практике при проектировании ТНА возникает ситуация когда ни одно из существующих решений не удовлетворяет заданному комплексу требований, и тогда выделяется главное из них, например герметичность и узел выполняется с некоторым нарушением всех остальных

Секция «Проектирование машин и робототехника»

требований либо узел сильно усложняется, добавляются дренажи перед уплотнением и охлаждающие системы) [2].

На основе проведенного анализа были поставлены следующие задачи:

• исследовать зависимость выходных параметров уплотнения от конструкции, размерностей и материала уплотняющих поверхностей;

• исследовать процесс изменения параметров уплотнения, развивающийся в течение конечного времени в зависимости от скорости вращения вала, рабочей температуры и давления в корпусе ТНА;

• рассмотреть возможность применить альтернативное решение по конструкции подвижных уплотнений, а также определить на основе математической модели требования к физико-механическим свойствам материалов которые могли бы в той или иной степени решить ряд недостатков существующих решений.

В заключение отметим, что многие недостатки отечественных разработок в сфере уплотнений заключаются в недостатке теоретических исследований в данной области и базируются в основном на экспериментальных исследованиях, требующих значитель-

ных финансовых затрат и времени для достижения приемлемого результата.

Является актуальным вопрос разработки математической модели позволяющей снизить количество опытных образцов, требующихся для испытаний, и требует дополнительных исследований в этом направлении.

Библиографические ссылки

1. Дмитренко А. И., Иванов А. В. Анализ уплотнений проточной части насосов и турбин ТНА ЖРД // Научно-технический юбилейный сборник КБ химав-томатики. Воронеж : ИПФ «Воронеж», 2001. С. 364370.

2. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей / под общ. ред. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989. 424 с.

3. Иванов А. В. Исследование прирабатывающихся уплотнений роторов турбонасосных агрегатов // Аэродинамика, механика и технология авиастроения : межвуз. сб. науч. тр. Воронеж : ВГТУ, 2000. С. 146152.

© Орлов А. А., 2014

УДК 629.78.05

О. А. Павлова Научный руководитель - С. П. Ереско Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АНТЕННЫХ ПРИВОДОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Приведено описание конструкции планетарно-волнового редуктора антенного привода космического аппарата, указаны достоинства предлагаемого редуктора в сравнении с применяемыми зубчатыми планетарными и волновыми редукторами.

В последнее время стремительно развивается космические аппараты (КА). Повышаются их энерговооружённость (увеличение количества каналов прием-но-передающей аппаратуры и мощности полезного сигнала) и функциональные возможности КА-увеличение точности передачи сигнала потребителю с наземного объекта, как неподвижному, так и подвижному.

Обеспечение точности зависит от точного наведения приемно-передающих антенн. Наведение и ориентация антенн осуществляется электро-механичес-кими устройствами исполнительной автоматики. Точность позиционирования напрямую зависит от параметров механизмов поворота, в состав которых входит редуктор. При выборе редуктора важны такие параметры как: передаточное отношение, КПД, габариты, момент на выходном валу, люфт или мертвый ход, угловая жесткость. Разработана конструкция планетарно-волнового редуктора, в котором рационально сочетаются достоинства и компенсируются недостатки волновых и планетарных редукторов.

Планетарно-волновой редуктор содержит ведущий и ведомый валы, неподвижное центральное колесо,

водило с тремя сателлитами, установленными под равными углами, относительно общей геометрической оси вращения сателлитов, соединенных с водилом.

В данной конструкции редуктора одновременно в зацеплении участвуют 3 сателлита, соответственно коэффициент перекрытия равен 3, что позволяет передавать большие крутящие моменты, чем зубчатые передачи.

Передача крутящего момента осуществляется через тела качения.

Особое достоинство - высокая износостойкость передачи из-за отсутствия в ней трения скольжения, поскольку фактически передача представляет собой подшипник с волнообразной беговой дорожкой.

Передача отличается тем, что, с целью повышения КПД, ресурса и жесткости, сателлиты выполнены двухступенчатыми.

Внешние ступени сателлитов имеет полусферические углубления и контактирует с неподвижным центральным колесом посредством шариков, расположенных в углублениях основания. Внутренняя ступень контактирует с выходным валом, также посредством шариков.