Курсовой проект - Проектирование турбонасосного агрегата

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Задание на проектирование. Исходные данные
2 Выбор прототипа проектируемого ТНА. Описание состава агрегата питания
2.1 Выбор прототипа
2.2 Описание турбонасосного агрегата двигателя С5.3М
3 Условная оптимизация соотношения компонентов по максимальному пустотному удельному импульсу
3.1 Расчет стехиометрического соотношения компонентов
3.2 Подготовка данных, расчет действительного соотношения компонентов 𝑲𝒎 при равновесной модели течения рабочего тела
4 Расчет основных параметров ТНА
4.1 Определение массового расхода компонентов через насосы
4.2 Выбор основных параметров системы питания с автономной турбиной
5 Определение основных параметров шнекоцентробежного насоса
5.1 Расчет насоса окислителя
5.1.1 Определение угловой скорости вращения вала насоса и диаметров шнека
6. Расчет насоса горючего
6.1. Исходные данные
7. Расчет автономной турбины
7.1 Расчет диска турбины на прочность
7.2 Разбиение ротора на участки, определение масс участков и реакций опор
7.3 Расчет и построение эпюры действительного изгибающего момента
7.4 Определение прогибов вала графическим методом
7.5 Определение критической частоты вращения ротора
8 Выводы. Сравнение проектирования с параметрами прототипа. Анализ причин рассогласования
8.1 Турбина
8.2 Насос горючего
8.3 Насос окислителя
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение А. Нахождение оптимального коэффициента избытка окислителя
Приложение Б. Результаты расчета насоса окислителя в программном комплексе TurboPump Program (TPP) <16>
Приложение В. Результаты расчета насоса окислителя
Приложение Г. Результаты расчета насоса горючего в программном комплексе TurboPump Program (TPP) <16>
Приложение Д. Результаты расчета насоса горючего
Приложение Е. Результаты расчета турбины в программном комплексе TurboPump Program (TPP) <16>
Приложение Ж. Результаты расчета автономной одноступенчатой турбины ЖРД
Приложение З. Результаты расчета диска турбины на прочность

Задание на проектирование. Исходные данные
Спроектировать и рассчитать параметры и характеристики турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя по следующим исходным данным:
окислитель ― АК-27И;
горючее ― ТГ-02;
тяга двигателя 𝑃 = 500 кН;
давление в камере 𝑝к = МПа;
давление в выходном сечении 𝑝. = 0,1 МПа;
давление на входе в насос окислителя 𝑝1ок = 0,5МПа;
давление на входе в насос горючего 𝑝1г = 0,3 МПа;
ступень Ι;
число камер в двигательной установке ― 1ед.
Проектирование включает в себя:
выбор и обоснование принципиальной схемы системы питания
двигательной установки (ДУ), схему турбонасосного агрегата (ТНА), составление балансных уравнений и уточнение исходных данных насосов и турбины; выбор типа насоса и расчет его основных параметров и размеров, а именно:
обоснование выбора угловой скорости вращения насоса, исходя из условий бескавитационной работы всех насосов агрегата или по предельной окружной скорости;
обоснование мер, обеспечивающих бескавитационную работу насоса;
определение геометрических размеров шнека и центробежного колеса;
определение числа ступеней и геометрических размеров колеса насоса с учетом сжимаемости, если таковой нельзя пренебречь;
проектирование меридионального сечения колеса;
проектирование лопатки колеса, построение профилей лопаток в плане и вспомогательных графиков (закона изменения скорости 𝑐6, комформной диаграммы, сечения межлопаточного канала и т.п.);
обоснование выбора, расчет и проектирование подводящего и отводящего устройств;
расчет и построение планов скоростей на входе и выходе в шнек и центробежное колесо для конечного числа лопаток и в том числе в предположении бесконечного числа лопаток;
определение гидравлического КПД для расчетного режима;
расчет и построение характеристик насоса;
выбор, обоснование типа и расчет основных геометрических размеров турбины:
определение среднего диаметра лопаток;
определение вида сопловой и рабочей решеток и их параметры, профилирование соплового канала и лопатки рабочего колеса;
вычерчивание развертки сопловой и рабочей решеток в масштабе;
черчение меридионального сечения турбины;
расчет и построение планов скоростей на входе и на выходе из рабочего колеса турбины;
определение КПД турбины на расчетном режиме, расчет и построение приближенных характеристик турбины ― зависимости момента и мощности от угловой скорости вращения и зависимость окружного КПД от 𝑢⁄𝑐1;
изображение термодинамического процесса в турбине в координатах 𝑖 ― 𝑠, построение баланса мощностей ТНА;
поверочный расчет диска турбины на прочность и расчет вала на критическую частоту вращения.

На основе обзора и анализа ТНА известных двигателей с характеристиками, близкими к заданным для курсового проектирования, был взят в качестве прототипа ТНА двигателя С5.3М как ближайший аналог по значениям номинальной тяги, давления в камере, качественному соотношению компонентов топлива.
2.2 Описание турбонасосного агрегата двигателя С5.3М
ТНА включает в себя газовую турбину, насосы горючего (ТГ-02) и окислителя (АК–27И). Турбина работает на газе собственных компонентов.
Ротор ТНА одновальный, с консольным расположением турбины. Особенностью ротора является трехопорный вал. Осевые усилия воспринимает шариковый подшипник, расположенный у насоса окислителя, обе обоймы его закреплены. Подшипник, расположенный между и турбиной и насосом горючего, воспринимает только радиальные нагрузки. Третья дополнительная опора (радиальный шариковый подшипник) – введена с целью увеличения жесткости вала ротора и расположена во входном патрубке насоса окислителя, наружная обойма которого тоже не фиксирована относительно корпуса обтекателя.
Смазка и охлаждение подшипников осуществляется основными компонентами двигательной установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Расчет и профилирование турбонасосного агрегата ― один из ключевых моментов создания жидкостного ракетного двигателя. На современном этапе развития техники для расчета и профилирования все шире применяются методы трехмерного моделирования течений, но и использование инженерных методик остается актуальным и востребованным.
Данный расчёт ТНА по прототипу двигателя С5.3М может использоваться в дальнейшем для научно-исследовательской работы или в дипломной работе.