КОРПУС ТУРБИНЫ ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Область техники
Полезная модель относится к области ракетного двигателестроения и в частности к корпусу турбины турбонасосного агрегата жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
Предшествующий уровень техники
Турбонасосный агрегат является одной из наиболее ответственных в прочностном отношении составных частей ЖРД. При работе ТНА его узлы и отдельные детали подвержены широкому спектру нагрузок. Например, корпусные детали ТНА нагружены в первую очередь силами давления жидкости (корпуса насосов) или газа (корпуса газовых турбин и газоводы). Давление внутри корпусов может достигать 50…60 МПа, что в сочетании с высоким нагревом (температура корпуса турбины Т~600°C÷700°C) создает дополнительные проблемы в обеспечении надежной работы корпусов.
Надежное решение этих проблем достигается применением конструкционных материалов с большей жаропрочностью и усталостной прочностью, использованием высокоэффективных теплозащитных покрытий. Кроме того, для достижения этой цели применяют проточное охлаждение корпусов статора и коллектора турбины.
В технике известно применение покрытий
Например, известны жаростойкие покрытия, состоящие из окислов металла (патент US N 4289447) - оксиды циркония с добавлением оксида магния, которые наносятся на подложку, включающую в себя два слоя из сплава Ni-Cr-Al-Y. Эти покрытия защищают несущую металлическую конструкцию от теплового воздействия.
Однако при тепловом расширении стенки в покрытии возникают высокие напряжения сжатия, из-за которых при высоких тепловых потоках происходят выкрашивание покрытий.
Кроме того, такие покрытия наносятся на поверхность конструкции электроплазменным напылением, что не обеспечивает равномерную толщину покрытия на участках деталей сложной конфигурации, каким является корпус статора турбины.
Использование таких покрытий в ЖРД приводит к увеличению массы двигателя.
Известно также защитные никелевые покрытия, которые наносятся на поверхность проточной части турбины (авт. свид. СССР №1474182, МКИ C25D 5/50).
Недостаток такого покрытия состоит в том, что после нанесения никелевого покрытия снижается усталочная прочность конструкции, приводящая к снижению ресурса работы двигателя.
Известно использование для защиты никелевых сплавов от возгорания стеклоэмалеевых, стеклокерамических покрытий, получаемых по шликерно-обжигаемой технологии на проточной части турбонасосного агрегата (см. С.С. Солнцев, «Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали», М., Маш., 1984 г., стр. 200).
Однако эти покрытия при температуре T~650°C разрушаются в потоке инертного газа, содержащего частицы АМгб, из-за хрупкости и малой эрозийной стойкости.
Известна турбина турбонасосного агрегата ЖРД SSME (US, фирма Rocketdyne), в которой для предотвращения разрушения корпуса турбины из-за большого перепада температур его выполняют двустенным с охлаждающим трактом, по которому протекают водород. Внешняя стенка корпуса турбины выполнена из сплава Инхонель 718, а внутренняя стенка выполнена из никелевого сплава Хайнес 188 (см. кн. «Конструкция и проектирование ЖРД» под редакцией профессора Г.Г. Гахуна, Москва, Маш., 1989 гш., с. 95, 367).
Применение проточного охлаждения корпуса турбины обеспечивает надежную работу турбины при высоких параметрах рабочего тела турбины.
Однако применение такого технического решения приводит к усложнению конструкции турбины и увеличению массы двигателя.
Известна также турбина турбонасосного агрегата ЖРД РД-170 (РФ, ОАО «НПО Энергомаш»), в которой корпус выполнен двухслойным с охлаждающим трактом, по которому протекает жидкий кислород. (Прототип.) (см. учебное пособие для вузов под редакцией к.т.н. A.M. Кашкарова «Альбом конструкции турбонасосных агрегатов ЖРД», КБ «НПО Энергомаш им. акад. В.Н. Глушко», 1993 г.).
Прототип имеет те же недостатки, что и турбина ЖРД SSME.
В основу настоящей полезной модели была положена задача разработать новую упрощенную конструкцию корпуса турбины ТНА ЖРД, способной выдерживать высокие тепловые и силовые нагрузки.
Эта задача решена за счет того, что в корпусе турбины турбонасосного агрегата ЖРД, состоящем из статора и коллектора, которые жестко скреплены между собой, при этом статор содержит корпус и сопловой аппарат с направляющими лопатками, а коллектор содержит корпус, выполненный в виде изогнутого патрубка, изготовленного из двух одинаковых штампованных половин, сваренных между собой, причем на внутренних поверхностях корпусов статора и коллектора - проточная часть турбины - нанесен слой металлокерамического покрытия, при этом корпус статора и корпус коллектора выполнены цельнометаллическими из жаропрочного никелевого сплава ХН58МБЮД, а толщина слоя металлокерамического покрытия на внутренних поверхностях корпусов статора и коллектора составляет от 50 мкм до 300 мкм.
Другими отличиями являются:
- корпус статора выполнен в виде полусферы;
- угол α изгиба патрубка корпуса коллектора по отношению к оси турбины составляет 90°;
- внутренняя часть корпуса коллектора имеет большую толщину, чем внешняя часть;
- что металлокерамическое покрытие содержит компоненты в следующем соотношении, масс % Ni 36-58, оксид бария 16-19, оксид бора 7-13, оксид алюминия 6-9, оксид церия 14-19, оксид циркония 1-2;
- корпуса статора и коллектора соединены между собой с помощью фланцевого соединения или другими известными способами.
Технический результат состоит в упрощении конструкции корпуса турбины, в снижении ее массы.
Суть полезной модели поясняется Фиг., на которой изображен корпус турбины со слоем металлокерамического покрытия, нанесенного на детали проточной части.
Как показано на Фиг., корпус турбины ТНА состоит из статора 1, коллектора 2. Статор содержит корпус 3, выполненный в виде полусферы 4, и сопловой аппарат 5 с направляющими лопатками 6. Коллектор 2 содержит корпус, который выполнен в виде изогнутого патрубка, изготовленного из двух одинаковых половин разной толщины, сваренных между собой (не показано). Угол α изгиба патрубка корпуса коллектора по отношению к оси турбины O'-O' составляет 90°. Оптимальное значение этого угла зависит от компоновки двигателя. Следует заметить, что внутренняя часть корпуса коллектора в месте изгиба имеет большую толщину стенки, чем внешняя часть.
Корпус статора жестко соединен с корпусом коллектора с помощью фланцевого соединения. Это соединение включает в себя фланец 7 и фланец 8, выполненные за одно целое с корпусом статора и корпусом коллектора соответственно, и шпильки 9 с гайками 10. Это соединение указанных корпусов может быть выполнено с помощью сварки или других известных соединений. Корпуса статора и коллектора изготовлены цельнометаллическими из жаропрочного никелевого сплава ЭК-61 (ХН58МБЮД). На внутренних поверхностях корпусов статора и коллектора - проточная часть турбины, нанесен слой металлокерамического покрытия 11, содержащего компонент при следующем соотношении масс, %: Ni 36-58, оксид бария 16-19, оксид бора 7-13, оксид алюминия 6-9, оксид церия 14-19, оксид циркония 1-2, толщиной от 50 мкм до 300 мкм.
Следует отметить, что этот слой металлопокрытия не является теплозащитным слоем, он выполняет функцию обеспечения надежной работы турбины в потоке окислительного генераторного газа - предотвращения возгорания проточной части турбины.
Выполнение корпуса турбины из жаропрочного никелевого сплава ЭК-16 позволяет упростить конструкцию турбины, снизить ее массу и повысить надежность работы.
2
2
Кроме того, это техническое решение позволяет отказаться от устройства проточного охлаждения корпуса турбины. Механические свойства этого материала при температуре T~645°C и давлении P~560 кгс/см - параметры рабочего тела турбины остаются неизменными при (σ~70 кгс/см) в течение работы двигателя.
Промышленное применение
Наиболее успешно заявленная полезная модель может быть использована в ракетной технике, преимущественно в турбонасосных агрегатах ЖРД, турбины которых работают на окислительном газогенераторном газе.