Турбонасос — это топливный насос с двумя основными компонентами: роторно-динамическим насосом и приводной газовой турбиной , обычно оба установлены на одном валу или иногда соединены вместе. Первоначально они были разработаны в Германии в начале 1940-х годов. Целью турбонасоса является производство жидкости под высоким давлением для подачи в камеру сгорания или другого использования. Хотя существуют и другие варианты использования, чаще всего они встречаются в жидкостных ракетных двигателях.
В турбонасосах используются два распространенных типа насосов: центробежный насос , в котором перекачка осуществляется путем выбрасывания жидкости наружу с высокой скоростью, или осевой насос , в котором чередующиеся вращающиеся и неподвижные лопасти постепенно повышают давление жидкости.
Насосы осевого потока имеют небольшие диаметры, но дают относительно скромное увеличение давления. Хотя требуются несколько ступеней сжатия, насосы осевого потока хорошо работают с жидкостями низкой плотности. Центробежные насосы гораздо более мощные для жидкостей высокой плотности, но требуют больших диаметров для жидкостей низкой плотности.
Насосы высокого давления для более крупных ракет обсуждались пионерами ракетной техники, такими как Герман Оберт . [1] В середине 1935 года Вернер фон Браун инициировал проект топливного насоса в юго-западной немецкой фирме Klein, Schanzlin & Becker , которая имела опыт в создании больших пожарных насосов. [2] : 80 В конструкции ракеты V-2 использовалась перекись водорода, разлагаемая с помощью парогенератора Вальтера, для питания неуправляемого турбонасоса [2] : 81 произведенного на заводе Heinkel в Йенбахе , [3] поэтому турбонасосы V-2 и камера сгорания были испытаны и согласованы, чтобы предотвратить избыточное давление насоса в камере. [2] : 172 Первый двигатель успешно запустился в сентябре, а 16 августа 1942 года пробная ракета остановилась в воздухе и разбилась из-за отказа турбонасоса. [2] [ требуется проверка ] Первый успешный запуск V-2 состоялся 3 октября 1942 года. [4]
Главным инженером по разработке турбонасосов в Aerojet был Джордж Боско. Во второй половине 1947 года Боско и его группа узнали о работе других над насосами и провели предварительные проектные исследования. Представители Aerojet посетили Университет штата Огайо , где Флоран работал над водородными насосами, и проконсультировались с Дитрихом Зингельманном, немецким экспертом по насосам в Райт-Филд. Впоследствии Боско использовал данные Зингельманна при проектировании первого водородного насоса Aerojet. [5]
К середине 1948 года Aerojet выбрала центробежные насосы как для жидкого водорода , так и для жидкого кислорода . Они получили несколько немецких радиально-лопастных насосов от ВМС и испытали их во второй половине года. [5]
К концу 1948 года компания Aerojet спроектировала, построила и испытала насос для жидкого водорода (диаметром 15 см). Первоначально он использовал шарикоподшипники , которые работали в чистом и сухом состоянии, поскольку низкая температура делала обычную смазку непрактичной. Сначала насос работал на низких оборотах, чтобы дать его деталям остыть до рабочей температуры . Когда датчики температуры показали, что жидкий водород достиг насоса, была предпринята попытка разогнать его с 5000 до 35 000 оборотов в минуту. Насос вышел из строя, и осмотр деталей указал на неисправность подшипника, а также рабочего колеса . После некоторых испытаний были использованы сверхточные подшипники, смазываемые маслом, которое распылялось и направлялось потоком газообразного азота. При следующем запуске подшипники работали удовлетворительно, но напряжения были слишком велики для паяного рабочего колеса, и оно развалилось. Новый был изготовлен путем фрезерования из цельного куска алюминия . Следующие два запуска с новым насосом были большим разочарованием; приборы не показали значительного повышения расхода или давления. Проблема была связана с выходным диффузором насоса, который был слишком мал и недостаточно охлаждался во время цикла охлаждения, так что он ограничивал поток. Это было исправлено путем добавления вентиляционных отверстий в корпусе насоса; вентиляционные отверстия открывались во время охлаждения и закрывались, когда насос был холодным. С этим исправлением в марте 1949 года было сделано два дополнительных запуска, и оба были успешными. Было обнаружено, что расход и давление приблизительно соответствуют теоретическим предсказаниям. Максимальное давление составило 26 атмосфер (26 атм (2,6 МПа; 380 фунтов на кв. дюйм)), а поток — 0,25 килограмма в секунду. [5]
Турбонасосы главного двигателя космического челнока вращались со скоростью более 30 000 об/мин, подавая в двигатель 150 фунтов (68 кг) жидкого водорода и 896 фунтов (406 кг) жидкого кислорода в секунду. [6] Двигатель Rutherford ракеты Electron стал первым двигателем, использовавшим насос с электроприводом в полете в 2018 году. [7]
Большинство турбонасосов центробежные — жидкость поступает в насос вблизи оси, а ротор разгоняет жидкость до высокой скорости. Затем жидкость проходит через спираль или диффузор, представляющий собой кольцо с несколькими расходящимися каналами. Это вызывает увеличение динамического давления по мере потери скорости жидкости. Спираль или диффузор преобразует высокую кинетическую энергию в высокие давления (сотни бар — не редкость), и если выходное противодавление не слишком велико, можно достичь высоких скоростей потока.
Существуют также осевые турбонасосы. В этом случае ось по сути имеет пропеллеры, прикрепленные к валу, и жидкость нагнетается ими параллельно главной оси насоса. Как правило, осевые насосы, как правило, создают гораздо более низкое давление, чем центробежные насосы, и несколько бар не являются редкостью. Их преимуществом является гораздо более высокий объемный расход. По этой причине они распространены для перекачки жидкого водорода в ракетных двигателях из-за его гораздо более низкой плотности, чем другие виды топлива, которые обычно используют конструкции центробежных насосов. Осевые насосы также широко используются в качестве «индукторов» для центробежных насосов, которые повышают входное давление центробежного насоса достаточно, чтобы предотвратить возникновение в нем чрезмерной кавитации .
Турбонасосы имеют репутацию чрезвычайно сложных в проектировании для достижения оптимальной производительности. В то время как хорошо спроектированный и отлаженный насос может обеспечить эффективность в 70–90%, цифры менее половины этого не являются редкостью. Низкая эффективность может быть приемлемой в некоторых приложениях, но в ракетной технике это серьезная проблема. Турбонасосы в ракетах важны и достаточно проблематичны, чтобы ракеты-носители, использующие один, были едко описаны как «турбонасос с прикрепленной ракетой» — до 55% от общей стоимости было отнесено к этой области. [8]
К распространенным проблемам относятся:
Кроме того, решающее значение имеет точная форма самого ротора.
Турбонасосы с паровой турбиной применяются при наличии источника пара, например, котлов пароходов . Газовые турбины обычно используются, когда нет электричества или пара, а ограничения по месту или весу позволяют использовать более эффективные источники механической энергии.
Одним из таких случаев являются ракетные двигатели , которым необходимо закачивать топливо и окислитель в камеру сгорания . Это необходимо для больших жидкостных ракет , поскольку заставить жидкости или газы течь простым повышением давления в баках часто невозможно; высокое давление, необходимое для требуемых скоростей потока, потребует прочных и, следовательно, тяжелых баков.
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели обычно также оснащены турбонасосами, при этом турбина приводится в действие либо непосредственно внешним свободным потоком воздуха, либо изнутри потоком воздуха, отводимым от входа в камеру сгорания. В обоих случаях поток выхлопных газов турбины сбрасывается за борт.
