Технологический метод повышения эффективности работы турбонасосных агрегатов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Технология и мехатроника в машиностроении

УДК 621.9.047

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

С .А. Мозгов1'2, Б. П. Саушкин1,2, В. А. Исаченко1

1ФГУП «Научно производственное объединение «Техномаш» Российская Федерация, 127018, г. Москва, 3-й проезд Марьиной Рощи, 40. E-mail: [email protected] 2Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) Российская Федерация, 107023, г. Москва, ул. Большая Семеновская, 38. E-mail: [email protected]

Производится оценка влияния шероховатости поверхностей лопаток рабочего колеса ТНА на КПД энергетической установки. Предлагается метод повышения эффективности работы ТНА путем снижения шероховатости поверхностей лопаток электрохимической отделочной обработкой.

Ключевые слова: турбонасосный агрегат, рабочее колесо, шероховатость поверхности, электрохимическая обработка.

TECHNOLOGICAL METHOD OF IMPROVEMENT WORK TURBOPUMP ASSEMBLY

S. A. Mozgov1,2, B. P. Saushkin1,2, V. A. Isachenko1

1Federal State Unitary Enterprise "Scientific-and-Industrial Association "Technomash" 40, 3rd proezd Marinoy Roshchi, Moscow, 127018, Russian Federation. E-mail: [email protected] 2Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI) 38, Bolshaya Semenovskaya str., Moscow, 107023, Russian Federation. E-mail: [email protected]

Assesses the influence of the surface roughness of the turbine wheel of the TPA efficiency of the power machine. Propose a method for improving the efficiency of the TPA by reducing the surface roughness of the turbine wheel of electrochemical finishing treatment.

Keywords: turbopump assembly, turbine wheel, surface roughness, electrochemical machining.

Подача компонентов топлива в камеру сгорания ракетного двигателя осуществляется насосами, приводимыми во вращение газовой турбиной, образующими в совокупности единый энергетический узел -турбонасосный агрегат (ТНА).

Одной из основных эксплуатационных характеристик ТНА является его КПД. Данный параметр можно улучшить как за счет конструкторских решений, применения новых видов топлив, так и за счет совершенствования технологий изготовления деталей ТНА.

Наиболее ответственными деталями ТНА являются рабочие колеса. Они эксплуатируются в тяжелых условиях: при высокой температуре и больших нагрузках от центробежных сил. Использование труднообрабатываемых резанием материалов и конструктивная сложность проточной части рабочих колес -межлопаточного канала (МЛК) накладывают ограничения на выбор метода обработки.

Электроэрозионное формообразование лопаток моноколес имеет недостатки: появление дефектного слоя и невозможность получения низкой шероховатости поверхности ^а > 1,6 мкм) при приемлемой производительности.

Улучшение КПД ТНА возможно путем снижения шероховатости поверхностей МЛК.

Целью данной работы является поиск технологических решений для повышения эффективности работы ТНА и разработка оборудования для промышленного использования предлагаемого метода.

Оценка допустимой высоты шероховатости, ниже которой не происходит изменения выходных характеристик турбины, производилась для рабочего колеса ТНА двигателя 14Д30 («КБ Химмаш им А. М. Исаева») по выражению, представленному в [1]:

^доп ^ (1)

где ^оп - допустимая высота шероховатости поверхности лопатки; l - длина лопатки; Re - число Рей-нольдса.

Расчет ^оп производился для турбулентного пограничного слоя, так как определенное значение Re превышает 106 [1]:

^оп < 0,0084-

100

-106 = 0,4 мкм.

2112600

Таким образом, предельная высота элементов шероховатости поверхности лопатки, при обтекании которой не происходит увеличения сопротивления потоку по сравнению с сопротивлением «гладкой» поверхности, составила 0,4 мкм.

В настоящее время шероховатость поверхностей МЛК после электроэрозионной обработки (ЭЭО) рабочего колеса ТНА двигателя 14Д30 составляет 20 мкм.

Произведена оценка влияния шероховатости на коэффициент сопротивления при обтекании потоком газа лопатки.

Решетневскуе чтения. 2014

Коэффициент сопротивления при полном проявлении шероховатости определялся по выражению:

Х=-

1

2lg- +1,74

(2)

где X - коэффициент сопротивления; ст - толщина пограничного слоя, мкм; k - высота элементов шероховатости, мкм.

Расчет показал, что снижение шероховатости поверхностей лопаток с 20 до 0,4 мкм позволит уменьшить коэффициент сопротивления в 3,8 раза.

Потери давления на трение определялись по выражению:

АРтр = х

1 Pvc

d.

(3)

где р - плотность газа; уср - скорость потока газа; dг - гидравлический диаметр.

Уменьшение шероховатости с 20 до 0,4 мкм обеспечивает снижение потерь давления на трение для исследуемого рабочего колеса на 5-8 %.

Для достижения указанной шероховатости предлагается использовать метод электрохимической доводки, позволяющий удалить дефектный слой и снизить шероховатость поверхности, при величине съема припуска 50-80 мкм.

Проведенные комплексные исследования позволили установить параметры режима электрохимической обработки лопаток рабочих колес [2; 3].

Для промышленного использования данного метода спроектировано специальное оборудование, позволяющее производить обработку рабочих колес закрытого типа диаметром 80-200 мм в автоматическом цикле (см. рисунок).

Станок для ЭХО лопаток рабочих колес ТНА: а - общий вид; б - центральный узел

Предлагаемая технология электрохимической доводки поверхностей лопаток рабочих колес позволит достичь расчетных величин шероховатости и тем самым увеличить КПД ТНА, что определяет экономическую эффективность внедрения данной технологии на предприятиях ракетно-космической отрасли.

Библиографические ссылки

1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. : Наука, 1974. 712 с.

2. Мозгов С. А., Саушкин Б. П., Моргунов Ю. А., Лобода А. А. Электрохимическая отделочная обработка изделий из сплава ЭП-741НП // Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. № 2. С. 6-10.

3. Мозгов С. А., Панов Д. В., Саушкин Б. П. Улучшения качества поверхностей лопаток моноколес турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных

двигателей // Вестник СГАУ. 2013. № 4(42). С. 206212.

References

1. Shlihting G. Teorija pogranichnogo sloja. Moskva, Nauka, 1974. 712 p.

2. Mozgov S. A., Saushkin B. P., Morgunov Y. A., Loboda A. A. Elektrohimicheskaja otdelochnaja obrabotka izdelij iz splava EP-741NP // Uprochnjajushhie tehnologii i pokrytija. 2014. № 2. P. 6-10.

3. Mozgov S. A., Panov D. V., Saushkin B. P.

Uluchshenija kachestva poverhnostej lopatok monokoles turbonasosnyh agregatov zhidkostnyh raketnyh dvigatelej. Vestnik SGAU № 4(42). 2013, p. 206-212.

© Мозгов С. А., Саушкин Б. П., Исаченко В. А., 2014