Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

ПРИМЕНЕНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ГАЗО- И ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ В ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТАХ МНОГОРАЗОВЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ЖРД

Смирнова О.С. 1 Булат П.В. 2 Продан Н.В. 3
1 ЗАО «Бизнес Компьютер Центр»
2 ООО «Центр трансфера технологии «Кулон»
3 ООО «Проблемная лаборатория «Турбомашины»
В перспективных многорежимных летательных аппаратах планируется использовать комбинированные турбо-прямоточные и турбо-ракетные двигатели. Применение технологии бесконтактных опор позволит существенно повысить ресурс работы таких важных частей, как компрессоры и турбонасосные агрегаты. На данный момент в мире в авиакосмической технике наиболее распространены не газостатические, а газодинамические подшипники. Они характеризуются наличием поддерживающего слоя различных конструкций, который обеспечивает работоспособность роторов на запуске и остановке. Главная проблема подшипника данного типа,помимо сложности конструкции состоит в изнашиваемости этого поддерживающего слоя. Газостатический подшипник лишен подобного недостатка, так как физический контакт твердых поверхностей между собой отсутствует. На данный момент разработана и испытана на стенде и в составе установки газостатическая опора. Результаты испытаний подтвердили заложенные характеристики. Для парирования ударных и колебательных нагрузок газостатический подшипник нуждается в системе автоматического управления. На сегодняшний день разработана и прошла расчетные исследования струйная система управления.
комбинированный двигатель
газостатический подшипник
турбонасосный агрегат
компрессор
струйная система автоматического управления
1. Бесчастных В.Н., Равикович Ю.А. Газовый подшипник тяжелого ротора газотурбинных двигателей. Опыт разработки и перспективы внедрения // Вестник МАИ. – 2010. – Т.17, № 3. – С. 84–94.
2. Бесчастных В.Н., Равикович Ю.А. Определение статической грузоподъемности сегментного газостатического подшипника // Вестник МАИ. – 2009. – Т.16, № 1. – С. 91–98.
3. Булат П.В., Засухин О.Н., Усков В.Н. Газодинамический модуль для управления струйными течениями // Струйные, отрывные и нестационарные течения: XXII юбилейный семинар с международным участием. 22–25 июня 2010 г. Санкт-Петербург: тезисы докладов / Балт. гос. техн. ун-т; СПбГУ. – СПб., 2010. – С. 243.
4. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. История экспериментальных исследований донного давления // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 12 (ч. 3). – С. 670–674.
5. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. Особенности применения моделей турбулентности при расчете течений в сверхзвуковых трактах перспективных воздушно-реактивных двигателей // Двигатель. – 2012. – № 1. – С. 20–23.
6. Листопадов И.В., Шершнев Б.Б. Моделирование сегментного газового подшипника // ANSYS Solutions. Русская редакция. – 2006. – С. 43–45.
7. Усков В.Н., Булат П.В. Об исследовании колебательного движения газового подвеса ротора турбохолодильных и детандерных машин. Часть I. Постановка задачи // Вестник МАХ. – 2012. – № 3. – С. 3–7.

Современные многорежимные летательные аппараты, такие как, например, одноступенчатые воздушно-космические самолеты, требуют использования комбинированных двигателей [5]. Подобные системы на одних режимах работают как турбо-реактивные (ТРД), на других ‒ как прямоточные, а на третьих ‒ как сверхзвуковые прямоточные или жидкостно-ракетные двигатели (ЖРД).

Наиболее интересным является проект фирмы Reaction Engines Ltd – комбинированный турбо-ракетный двигатель SABRE (рис. 1). Двигатель представляет собой ЖРД, работающий по схеме «газ+газ» с дожиганием газогенераторного газа.

pic_42.tif

Рис. 1. Комбинированный турбо-ракетный двигатель SABRE

В качестве горючего используется жидкий водород, окислителем является жидкий кислород и атмосферный воздух. Вся система работает следующим образом. Жидкий водород подается в газогенератор, туда же поступает в зависимости от высоты полета либо атмосферный воздух, либо жидкий кислород. Сжигание в газогенераторе происходит с избытком горючего. Генераторные газы и окислитель поступают в камеру сгорания ЖРД, при этом в теплообменнике HX3 (рис. 2) они газифицируют жидкий гелий за счет передачи избыточного тепла. В свою очередь пары гелия под высоким давлениям используются для привода турбокомпрессора или насоса жидкого кислорода.

pic_43.tif

Рис. 2. Термодинамическая схема комбинированного двигателя SABRE

При полете на атмосферном участке пары гелия после автономной турбины поступают в теплообменник HX4, где сжижаются за счет контакта с жидким водородом, а затем охлаждают атмосферный воздух посредством теплообменника в воздухозаборнике. Таким образом, снижение температуры воздуха перед входом в турбокомпрессор позволяет повысить степень сжатия в нем до 40–45. В результате турбина может работать до чисел Маха = 5–6. Такая схема получила название ТРД с промежуточным охлаждением окислителя.

О возможности применения газостатических подшипников (ГСП) в турбо-насосных агрегатах (ТНА) комбинированных двигателей

Основная идея состоит в том, чтобы существенно повысить надежность и обеспечить многоразовое эксплуатирование двигателей подобного типа за счет использования во вращающихся частях бесконтактных газостатических опор.

Отсутствие контакта на рабочих режимах, а следовательно, контактного трения, отсутствие необходимости в смазке, возможность обеспечения высоких частот вращения, относительная простота и малый вес конструкции делают такие опоры весьма привлекательными там, где требуется легкость, компактность и надежная работа без обслуживания.

Турбокомпрессоры и насосы комбинированного двигателя, оснащенные подшипниками подобной конструкции, будут иметь меньшие габариты и потенциально бесконечный ресурс использования.

Технология газовых подвесов

Сегодня газовые опоры используются в турбомашинах, криогенных и высокотемпературных космических, наземных, транспортных и глубоководных установках, компрессорах атомных реакторов, в особо точных и надежных гироскопах, а также приборах со скоростью вращения вала до 500.000 об./мин. Конструкция [7] типичного радиального ГСП (рис. 3) позволяет вращаться валу, не касаясь неподвижных стенок. Для этого через систему специальных клапанов (дросселей) 1 и форкамеры 2 из коллектора 3 подается газ 4. Для того чтобы под воздействием возмущений вал 5 не касался корпуса 6, подачей воздуха в дроссели должна управлять система автоматического управления (САУ). Торцы А и Б могут выполнять функции упорного диска, что позволяет превратить ГСП в радиально-упорный подшипник.

pic_44.tif

Рис. 3. Конструкция радиального ГСП:1 – дроссель; 2 – форкамера; 3 – коллектор; 4 – газ; 5 – вал; 6 – корпус

В мире и в России в авиакосмической технике наиболее распространены не газостатические, а газодинамические подшипники (ГДП) роторов гироскопов, компрессоров, турбохолодильников. Газодинамические опоры характеризуются наличием поддерживающего слоя различных конструкций в виде сотовых вставок или свернутых лент, которые обеспечивают работоспособность роторов на запуске и останове. Традиционная схема ГДП изображена на рис. 4.

pic_83.tif

Рис. 4. Газодинамический подшипник (ГДП):1 – корпус ГДП; 2 – паз; 3 – лепесток; 4 – вал

В корпусе подшипника 1 выполнены продольные пазы 2, в которых закреплены лепестки 3, изготовленные из пружинной стали. Лепестки образуют непрерывную поверхность, составленную из клинов. Когда вал неподвижен, лепестки за счёт упругости касаются поверхности вала и поддерживают его в подвешенном состоянии. При начале вращения вала на лепестках под воздействием эффекта Бернулли возникают аэродинамические силы. С увеличением частоты вращения эти силы растут, пока их величина не становится достаточной для отделения лепестков от вала. Отсутствие контакта лепестков с валом позволяет реализовать очень большие скорости вращения. Кроме того, упругость лепестков позволяет им «отслеживать» колебания вала. Однако у ГДП имеются и существенные недостатки. Помимо высокой технологической сложности подобной конструкции, требующей для обеспечения пожаробезопасности использования специальных материалов, существует проблема снижения ресурса при старте и торможении ротора. ГДП создаёт достаточную подъёмную силу только при достижении частоты вращения 20 % от максимальной. До этого подшипник работает в режиме сухого трения. При каждом старте и торможении происходит износ антифрикционного покрытия, которое наносится на поверхность лепестков, контактирующих с валом, поэтому ресурс такой опоры прямо зависит от режима работы и количества стартов и торможений. ГСП свободны от указанного недостатка, т.к. физический контакт твердых поверхностей между собой вообще отсутствует.

Управляемый газостатический подшипник

Классические ГСП требуют наличия системы управления положением вала. В ее задачи входит как минимум вывешивание ротора при нулевой скорости вращения, увеличение давления при раскрутке ротора на старте и уменьшение давления поддува при торможении ротора. Можно сформулировать и другие задачи, например, подавление колебаний ротора, а также парирование ударных и других непериодических нагрузок. При высоких частотах вращения быстродействия классических пневматических исполнительных устройств не хватает.

Задача управления подачи рабочего тела впервые в мире решается с помощью газоструйной системы управления [3]. На сегодняшний день разработана принципиальная схема регулирующего устройства, работающего на основе принципов струйной логики. Проведены испытания модели в составе экспериментального стенда, проведено расчетное исследование (рис. 5) и оптимизация конструкций ряда элементов опор. Действующие аналоги предлагаемых управляемых газостатических опор пока неизвестны.

pic_45.tif

Рис. 5. Распределение давления в струйном элементе. Давление питания ‒ 3 атм., давление управляющего сигнала в правом канале ‒ 1 атм., в левом ‒ 2 атм.

Заключение

Применение принципиально новых опор на газовой смазке в турбонасосных агрегатах ЖРД позволяет обеспечить высокий ресурс. И хотя сейчас компетенция в области расчета и проектирования устройств, основанных на принципах газовой смазки, в значительной степени утрачена, в последнее время интерес к данной теме возрождается именно благодаря развитию аэрокосмической техники [1, 2, 6].

Достижение заданных целей позволит предлагать разработанную конструкцию вместо подшипников качения и электромагнитных подшипников. Саморегулируемые ГСП будут иметь в 3–4 раза более низкую цену при несопоставимо большей надежности. Использование их в двигателях выгодно скажется на ресурсе, сложности обслуживания, размерах и стоимости последних. Одной из основных задач, которые предстоит решить, является подавление релаксационных колебаний давления, возникающих в каналах и соплах системы подачи рабочего тела в зазор ГСП. История изучения колебаний донного давления подробно представлена в работах [4, 7].

Рецензенты:

Баранов И.В., д.т.н., профессор, заместитель директора Института холода и биотехнологий ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург;

Пеленко В.В., д.т.н., профессор, заместитель директора по учебной работе Института холода и биотехнологий ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 04.02.2013.


Библиографическая ссылка

Смирнова О.С., Булат П.В., Продан Н.В. ПРИМЕНЕНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ГАЗО- И ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ В ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТАХ МНОГОРАЗОВЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ЖРД // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4-2. – С. 335-339;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31193 (дата обращения: 25.11.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252