ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
TURBINE PUMP

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в любых отраслях техники для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных включений, в том числе для перекачки криогенных жидкостей. Предпочтительно насос использовать в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей, в том числе на криогенных компонентах.
Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, 10.03.1998. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, рабочее колесо и шнек, установленные на валу. Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет с ним одинаковую угловую скорость вращения. Это не позволяет эксплуатировать насос на очень больших оборотах, например 40…100 тыс. об/мин, поэтому такие насосы в настоящее время не применяются.
Известен турбонасосный агрегат по патенту РФ №2300021, который содержит многоступенчатый центробежный насос и одноступенчатую турбину. Для уменьшения габаритов насос и турбина спроектированы на максимально допустимую по прочности частоту вращения ротора ТНА. При этом кавитационные качества насоса ухудшаются.
Наиболее близким к изобретению является турбонасосный агрегат (ТНА) по патенту РФ на изобретение №2083881, 10.07.1997, содержащий корпусы, центробежный насос, содержащий, в свою очередь, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на внешнем валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, две турбины, содержащие, в свою очередь, два сопловых аппарата и два рабочих колеса, корпус, входной и выхлопной патрубки. Его недостатки: плохие кавитационные качества центробежного насоса, особенно при его работе на больших частотах вращения, а также плохая разгрузка осевых сил. При подводе газа в турбину со стороны, противоположной входу в насос, осевые силы, действующие на ротор турбины и ротор насоса, направлены в одну сторону, т.е. складываются по абсолютному значению.
Задачами создания изобретения являются улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов.
Технический результат достигается тем, что в турбонасосном агрегате, содержащем корпусы, центробежный насос, содержащий, в свою очередь, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на внешнем валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, две турбины, содержащие, в свою очередь, два сопловых аппарата и два рабочих колеса, корпус, входной и выхлопной патрубки, согласно изобретению внутри вала на подшипниках установлен внутренний вал, рабочие колеса турбин установлены соответственно на внешнем и внутреннем валах, а шнек установлен на внешнем валу, при этом рабочее колесо второй турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо первой турбины, и установлено в задней полости, выполненной внутри корпуса турбин в его центральной части, канал подвода газа ко второй турбине выполнен в диафрагме, а канал отвода газа - в виде одной или нескольких трубок, соединяющих заднюю полость с выхлопным патрубком турбины. Внутри ступицы выполнены внутренняя полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса. Внутри сквозных отверстий установлены центробежные регуляторы расхода.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6, где:
- на фиг.1 приведен чертеж турбонасосного агрегата,
- на фиг.2 приведено сечение А-А,
- на фиг.3 приведен узел Б на фиг.1 первого варианта,
- на фиг.4 приведен узел Б на фиг.1 второго варианта,
- на фиг.5 приведен узел Б на фиг.1 третьего варианта,
- на фиг.6 приведена конструкция поршня.
Турбонасосный агрегат (фиг.1) содержит центробежный насос 1 и две турбины 2. Центробежный насос 1 содержит внешний вал 3, который выполнен пустотелым. На внешнем валу 3 установлено центробежное рабочее колесо 4. Центробежное рабочее колесо 4 содержит ступицу 5, лопасти 6, переднюю стенку 7 и полости 8 между лопастями 6 и передней стенкой 7. Внешний вал 3 установлен на подшипнике 9 в корпусе 10. Внутренний вал 11 проходит внутри ступицы 5 и установлен на радиальном и упорном внутренних подшипниках 12 и 13 соответственно. На внутреннем валу 9 со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 установлен шнек 14.
Турбины 2, точнее первая и вторая турбины 15 и 16, независимы друг от друга, т.е. не связаны механически и могут вращаться с различными угловыми скоростями. На противоположном конце внешнего вала 3 закреплено рабочее колесо 17 первой турбины 15. На противоположном конце внутреннего вала 11 установлено рабочее колесо 18 второй ступени турбины 16. Рабочие колеса 17 и 18 содержат рабочие лопатки 19 и 20 соответственно. Перед рабочими колесами 19 и 20 закреплены соответственно сопловые аппараты 21 и 22. Рабочие колеса 17 и 18 и сопловые аппараты 21 и 22 установлены в корпусе 23 турбины 2. Между первой турбиной 15 и второй турбиной 16 установлена диафрагма 24. Между корпусом 23 турбин 15 и 16 и внешним валом 3 в центральной части выполнена задняя полость 25, в которой установлена вторая турбина 16. Рабочее колесо 18 второй турбины 16 имеет меньший диаметр, чем рабочее колесо 17 первой турбины 15. Это необходимо для того, чтобы вторая турбина 16 получилась меньшей мощности, чем первая турбина 15.
К корпусу 10 центробежного насоса 1 подстыкованы входной корпус 26, имеющий полость 27, и выходной корпус 28, имеющий полость 29. Между корпусом 10 и центробежным рабочим колесом 2 выполнено переднее уплотнение 30. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 4 на его ступице 5 выполнены заднее уплотнение 31 и разгрузочная полость 32. Внутри ступицы 5 выполнена промежуточная полость 33. В ступице 5 центробежного колеса 4 выполнена внутренняя полость 34 и отверстия 35 (фиг.1 и 3). При этом отверстия 35 соединяют полость 6 с внутренней полостью 34 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта в центробежное рабочее колесо 4. Отверстия 35 выполнены или под углом 90° (т.е. радиально фиг.3 и 4 или перпендикулярно к оси насоса, фиг.5) или под острым углом к оси насоса (т.е. под углом менее 90°). Это исключит движения вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства. Во внутреннем валу 11 против промежуточной полости 33 выполнены радиальные отверстия 36. Внутренняя полость 31 радиальными отверстиями 34, выполненными во внутреннем валу 11, соединяют полость 33 с полостью вала 37, выполненной внутри внутреннего вала 11
Внутри отверстий 35 могут быть установлены центробежные регуляторы расхода 38 (фиг.4…5). Центробежные регуляторы расхода 38 выполнены с возможностью уменьшения расхода перекачиваемого продукта через них при увеличении скорости вращения внешнего вала насоса.
Конструкция центробежного регулятора расхода 38 приведена на фиг.4…6. Он содержит седло 39, клапан 40 со штоком 41 и поршнем 42. Внутри седла 39 установлена пружина 43, упирающаяся в поршень 42 и создающая усилие, направленное к оси насоса ОО, т.е. открывающее центробежный регулятор расхода 38. В поршне 42 выполнены отверстия 44 (фиг.6) для возврата части расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4.
Внутри внешнего вала 3 между центробежным насосом 1 и двумя турбинами 2 выполнена задняя полость 45, уплотненная с обеих сторон внутренними уплотнениями 46. В этой полости установлен подшипник 13 (фиг.1). Между центробежным насосом 1 и двумя турбинами 15 и 16 установлено внешнее уплотнение 47, которое отделяет подшипник 9 от турбины 2. Радиальные отверстия 48 выполнены во внутреннем валу 11 и соединяют полости 45 и 37 для смазки подшипников 7 и 13. Наклонные отверстия 49 выполнены во внешнем валу 3. Подшипник 9 установлен в корпусе 49 подшипника 13. Турбины 15 и 16 имеют присоединенные к корпусу 23 входной патрубок 51, выполненный со стороны центробежного насоса 1, и выхлопной патрубок 52, выполненный с противоположной стороны. Ко второй турбине 16 подведены канал 53, выполненный в диафрагме 49, и трубки 54, соединяющие полость 25 с полостью выхлопного патрубка 52.
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 51 внутрь турбин 15 и 16 и проходит через сопловой аппарат 21, рабочие лопатки 19. Незначительная часть общего расхода газа (100%…15%) поступает по каналу 53 в сопловой аппарат 22 и рабочие лопатки 20 второй турбины 16, раскручиваются внешний вал 3 с центробежным рабочим колесом 4 и внутренний вал 11 со шнеком 14. При этом внутренний вал 11 вращается в 3…4 раза с меньшей скоростью, чем внешний вал 3. Валы 3 и 11 вращаются в одну сторону, но с различными угловыми скоростями. Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т.е. в полости 29, повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 31 поступает в разгрузочную полость 32, проходит через подшипник 7, наклонные отверстия 49, радиальные отверстия 48 в полость 37 и через радиальные отверстия 36 поступает во внутреннюю полость 33 и далее в отверстия 35 и возвращается в полость 8 центробежного рабочего колеса 4.
Так как шнек 14 вращается с угловой скоростью, в 2…3 раза меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4, тем самым предотвращается кавитация на ее входе. Из-за пониженных оборотов самого шнека 14 кавитация на их входных кромках также исключается. Шнек 14 повышает давление в полости между шнеком 14 и центробежным рабочим колесом 4, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе в шнек 14. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на вход в шнек 14 и на вход в центробежное рабочее колесо 4 отсутствует, т.к перепуск организован внутрь центробежного рабочего колеса 4. При наличии центробежного регулятора расхода 38 при увеличении скорости вращения рабочего колеса уменьшается относительный расход перекачиваемого продукта (в % от общего расхода), используемого для смазки. Естественно, что абсолютный расход утечек перекачиваемого продукта, используемого для смазки, не уменьшается, а остается прежним или немного увеличивается. Это происходит за счет того, что центробежные силы, действующие на клапан 40, увеличиваются, клапан 40 сжимает пружину 42, зазор между клапаном 40 и седлом 39 уменьшается. Это позволит повысить КПД центробежного насоса 1 и одновременно улучшить его кавитационные свойства, т.к. ограничит перепуск подогретого перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4 и препятствует уменьшению его объемного КПД..
Применение изобретения позволило:
1) значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека;
2) обеспечить разгрузку осевых сил внутреннего и внешнего валов;
3) спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых по прочности;
4) предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе;
5) создать турбонасосный агрегат с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности.