Проектирование двигательной установки и элементов конструкции второй ступени баллистической ракеты (стр. 15 из 24)

6.10 Уплотнения

Для уменьшения перетекания компонента из полостей высокого давления насоса в полости пониженных давлений на колесе выполнены узлы плавающих уплотнений. Плавающее уплотнение, установленное со стороны входа, имеет внутреннее плавающее кольцо. Уплотнение по валу насоса окислителя осуществлено аналогично уплотнению насоса горючего манжетным узлом и импеллером. Просочившийся через манжетное уплотнение окислитель по кольцевому каналу между внутренним диаметром трубки разделительного корпуса уплотнения и рессорой отводится к диску турбины и через отверстие в валу ротора выбрасывается в полость турбины.

На рабочем режиме насосная полость уплотняется импеллером, установленным на резьбовой части вала окислителя. Импеллер относительно вала фиксирован пластинчатым замком по пазу на валу.

Окислитель, просочившийся через плавающее уплотнение на ступице центробежного колеса, проходит через подшипник в импеллерную полость, осуществляя смазку и охлаждение подшипника, и отводится на вход насоса. Окислитель, просочившийся через плавающее уплотнение передней крышки колеса, сразу попадает на вход в колесо насоса.

6.11 Описание турбины ТНА

Таблица №1.22

Параметры проектируемой турбины

Тип турбины Осевая, активная, одноступенчатая
Частота вращения
Окружная скорость на среднем диаметре лопаток
Расход газа
Давление на входе
на выходе
Мощность
Коэффициент полезного действия

6.12 Описание конструктивного прототипа турбины

Одноступенчатая, активная турбина состоит из корпуса с сопловым и выхлопным аппаратами и рабочего колеса с валом.

6.13 Корпус

Корпус турбины выполнен из жаропрочной стали в виде фасонной цилиндрической втулки. К левому торцу корпуса турбины приварен корпус выхлопного аппарата. К правому торцу по наружной поверхности его, приварен сопловой аппарат турбины.

Сопловой аппарат выполнен в форме венца с семью фрезерованными рабочими соплами и одним пусковым соплом.

К пусковому соплу приваривается корпус пиростартера, а к корпусу соплового венца – входной газовый коллектор переменной площади сечения. К цилиндрической части входного газового коллектора приварен фланец, к которому, в свою очередь приваривается газогенератор. Сопловой венец выполнен из поковки (может выполняться и из штамповки) с последующей механической обработкой (точением и фрезерованием).

Входной газовый коллектор выполнен в виде патрубка из двух штампованных секторов, сваренных между собой. Двумя конусными диафрагмами сопловой аппарат приварен к стальному фасонному корпусу подшипника. В наружной конусной диафрагме выполнено семь окон для возможности крепления при помощи шпилек насоса горючего. Наружная диафрагма усилена семью ребрами жесткости. Жесткость внутренней конической диафрагмы повышена двенадцатью радиальными выштамповками. На корпусе соплового аппарата приварен штуцер для замера давления газа перед турбиной.

Выхлопной аппарат состоит из выхлопного коллектора с двумя выхлопными патрубками. Для увеличения жесткости выхлопного аппарата к нему приварены четыре ребра, цилиндрическая втулка и точеное кольцо Г- образного профиля, которое используется для крепления ТНА к раме двигателя.

Выхлопные патрубки установлены в двух диаметрально противоположных плоскостях. Они имеют коническую форму и состоят из трех штампованных секторов, сваренных между собой. Патрубки заканчиваются цилиндрическими участками, к которым привариваются фланцы для стыковки их с выхлопными трубами.

6.14 Рабочее колесо с валом

Ротор турбины состоит из диска и вала. Лопатки (96 шт.) выполнены электроэрозионным способом зацело с диском. Крепление бандажа к лопаткам диска осуществляется пайкой.

В диске турбины выполнена проточка для напрессовки его на вал. Фиксация диска относительно вала осуществлена шестью штифтами (диаметром 8 мм). Штифты от выпадения защищены кольцом, которое, в свою очередь, зафиксировано от осевых перемещений двумя штифтами (диаметром 3 мм). Штифты после запрессовки заварены по наружной поверхности, места сварки зачищены.

Внутри вала выполнены эвольвентные шлицы для передачи через рессору крутящего момента к насосу окислителя. В валу выполнено шесть отверстий диаметром 4мм для отвода в полость турбины компонентов, просочившихся из насосов сквозь манжетные уплотнения. Кроме того, на внешнем диаметре вала просверлено одно глубокое отверстие диаметром 3мм под штифт для передачи крутящего момента от вала к коллектору. На внешнем диаметре вала выполнены эвольвентные шлицы для передачи крутящего момента колесу насоса горючего.


7. Расчет элементов конструкции второй ступени

7.1 Выбор конструктивно-силовой схемы корпуса хвостового отсека

Сухие отсеки – это приборные, межбаковые, хвостовые отсеки, различного рода обтекатели. Сухие отсеки стрингерной и лонжеронной конструкции в связи с их легкостью, прочностью, простотой и технологичностью нашли наиболее широкое применение на ракетах большой дальности. С расширением возможностей технологий все чаще используют монолитные, гофрированные и многослойные обечайки.

Рис.2.1 Классификация сухих отсеков

При выборе материала необходимо учитывать множество требований, которые очень сложно оптимально сочетать в одном материале. Поэтому, в зависимости от конструктивного применения материала выделяют определяющие требования. Как правило, определяющим является требование минимальной массы при условии неразрушаемости конструкции. Наиболее эффективными являются конструкционные материалы с большой удельной жесткостью

. Это отношение позволяет выбрать оптимальный материал не только по жесткости, но также и по массе. По этому показателю используемые для сухих отсеков материалы располагаются в следующем порядке: бериллиевые сплавы (5,24); магниевые сплавы (МА8-3,64); алюминиевые сплавы (Д16Т-3,16); стали (Х18Н9Т-1,72).

Выбираем для обшивки и силовых элементов сплав Амг6, руководствуясь его хорошей свариваемостью и большим модулем упругости. Этот материал широко распространен в ракетостроении, недорог и обладает хорошими прочностными показателями.

Характерным воздействием для сухих отсеков ракеты является сжатие этих отсеков. Поэтому разрушающим усилием будет являться усилие, приводящее к потере устойчивости. Потеря устойчивости может привести к разрушению всей системы, в то время как, например, явление текучести в растянутом элементе не всегда опасно для конструкции.

В приведенных ниже расчетах рассмотрены гладкая, стрингерная и вафельная конструктивно-силовые схемы хвостового отсека с определением массы каждой из схем. Расчет приводится для случая максимального нагружения хвостового отсека второй ступени, которое он испытывает в конце активного участка траектории первой ступени.

Для определения параметров конца активного участка траектории первой ступени воспользуемся программой Полет R.

Рис.2.2 Фрагмент отчета программы Полет R.

Исходные данные:

Перегрузка в конце АУТ первой ступени

.

Скоростной напор

.

Масса второй ступени и полезной нагрузки

.

Коэффициент безопасности

.

Длина хвостового отсека

.

Материал обшивки хвостового отсекаАмг6.

Плотность материала

Предел прочности (при

)

Предел текучести (при

)
.

Модуль упругости (при

)
.

Коэффициент Пуассона

.

Сжимающая расчётная сила:

;

где

ускорение свободного падения в расчетной точке.