Введение

Насос, приводимый в действие газовой турбиной – топливный насос.

Турбонасос – это насос для подачи рабочего тела, состоящий из двух основных компонентов: ротодинамического насоса и приводной газовой турбины, обычно оба установленные на одном валу или иногда соединенные посредством редуктора. Они были впервые разработаны в Германии в начале 1940-х годов. Назначение турбонасоса – создание жидкости высокого давления для подачи в камеру сгорания или для других применений. Хотя существуют и другие области применения, турбонасосы наиболее часто используются в жидкостных ракетных двигателях. В турбонасосах применяются два распространенных типа насосов: центробежный насос, в котором перекачка осуществляется за счет выброса жидкости наружу на высокой скорости, или насос осевого потока, в котором чередующиеся вращающиеся и неподвижные лопасти последовательно повышают давление жидкости. Насосы осевого потока имеют малый диаметр, но обеспечивают относительно небольшое увеличение давления. Несмотря на необходимость в нескольких ступенях сжатия, насосы осевого потока хорошо работают с жидкостями низкой плотности. Центробежные насосы значительно эффективнее для жидкостей высокой плотности, но требуют больших диаметров для жидкостей низкой плотности.

Раннее развитие

Высокопроизводительные насосы для крупных ракет обсуждались пионерами ракетного дела, такими как Герман Оберт. В середине 1935 года Вернер фон Браун инициировал проект топливного насоса на юго-западной немецкой фирме Klein, Schanzlin & Becker, имевшей опыт в производстве крупных пожарных насосов. В конструкции ракеты V-2 использовалась перекись водорода, разлагаемая с помощью парогенератора Вальтера, для привода нерегулируемого турбонасоса, поэтому турбонасосы V-2 и камера сгорания подвергались испытаниям и подбору, чтобы предотвратить превышение давления в камере насосом.

Развитие с 1947 по 1949 год

Главным инженером по разработке турбонасосов в Aerojet был Джордж Боско. Во второй половине 1947 года Боско и его группа изучили разработки других в области насосов и провели предварительные конструкторские исследования. Представители Aerojet посетили Университет штата Огайо, где Флоран работал над водородными насосами, и проконсультировались с Дитрихом Сингельманом, немецким экспертом по насосам, работавшим на авиабазе Райт. Боско впоследствии использовал данные Сингельмана при проектировании первого водородного насоса Aerojet. К середине 1948 года Aerojet выбрала центробежные насосы как для жидкого водорода, так и для жидкого кислорода. Они получили несколько немецких радиальных насосов от военно-морского флота и испытали их во второй половине года. В 2018 году двигатель "Ратфорд" стал первым, использовавшим электрический насос в полете.

Центробежные турбонасосы

Большинство турбонасосов являются центробежными: жидкость поступает в насос вблизи оси, а ротор разгоняет её до высокой скорости. Затем жидкость проходит через волюту – трубу, постепенно расширяющуюся по спирали, или диффузор – кольцо с множеством расходящихся каналов. Это приводит к увеличению динамического давления за счет снижения скорости потока. Волюта или диффузор преобразуют высокую кинетическую энергию в высокое давление (нередко достигающее сотен бар), и при невысоком давлении на выходе можно добиться высокой производительности.

Турбонасосы осевые

Также существуют осевые турбонасосы. В этом случае на вал, по сути, крепятся пропеллеры, и жидкость выталкивается ими параллельно главной оси насоса. Как правило, осевые насосы обеспечивают значительно более низкое давление, чем центробежные, и несколько бар – это обычное явление. Их преимущество – гораздо более высокая объемная подача. Поэтому они часто используются для перекачки жидкого водорода в ракетных двигателях из-за его гораздо меньшей плотности по сравнению с другими компонентами топлива, для которых обычно применяются центробежные насосы. Осевые насосы также часто используются в качестве "индукторов" для центробежных насосов, повышая давление на входе центробежного насоса до уровня, достаточного для предотвращения чрезмерной кавитации внутри него.

Двигательные турбонасосы

Турбонасосы, приводимые в действие паровыми турбинами, используются при наличии источника пара, например, котлов пароходов. Газовые турбины обычно применяются, когда недоступны электричество или пар, а ограничения по габаритам или весу позволяют использовать более эффективные источники механической энергии. Один из таких случаев – ракетные двигатели, которым необходимо перекачивать топливо и окислитель в камеру сгорания. Это необходимо для крупных жидкостных ракет, поскольку принудительная подача жидкостей или газов простым повышением давления в баках часто невозможна; высокое давление, требуемое для обеспечения необходимой производительности, потребовало бы прочных и, следовательно, тяжелых баков. Воздушно-реактивные двигатели также обычно оснащаются турбонасосами, турбина которых приводится в движение либо непосредственно набегающим потоком воздуха, либо внутренним потоком воздуха, отводимым от входа в камеру сгорания. В обоих случаях выхлопные газы турбины выбрасываются за борт.