ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) ЖРД верхних ступеней ракет в качестве разгонных блоков многоразового включения и с продолжительным временем работы.
Наиболее широко известны спиральные одновитковые отводы центробежных насосов (см., например, книгу Б.В. Овсянникова и Б.И. Боровского «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, Машиностроение, 1986 г., стр. 140, рис. 310). Данная конструкция спирального одновиткового отвода вполне работоспособна, но имеет один существенный недостаток, заключающийся в том, что при работе возникает значительная радиальная сила, что связано с неравномерностью распределения давления жидкости над колесом. Теоретически рассчитать радиальную силу, особенно при многорежимной работе насоса разгонного блока, весьма сложно. На практике пользуются эмпирическим соотношением (см. книгу Б.В. Овсянникова и Б.И. Боровского «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, Машиностроение, 1971 г., стр. 520, формула 5.31) или при гидропроливках насоса снимают эпюру давления над колесом. Оказалось, что эпюра давления имеет две ярко выраженные зоны повышенного давления (см. Фиг. 2). Разница давлений между зоной 1 и зоной 2 приводит к возникновению радиальной силы, действующей на колесо и, следовательно, на подшипниковую опору насоса. Известны ТНА одноразового включения и с продолжительностью работы в несколько сот секунд (см. книгу «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей» под общей редакцией профессора Г.Г. Гахуна, Машиностроение, г. Москва, 1989 г., стр. 204, рис. 107-ТНА ЖРД119, патенты РФ №2232300, №2459118). Данные конструкции ТНА вполне работоспособны, т.к. за короткое время работы от действия радиальной силы подшипниковые опоры не разрушаются. Однако при длительной работе ТНА в составе разгонного блока верхних ступеней, особенно на режимах, отличных от номинального, радиальная сила значительно возрастает (см. книгу Б.В. Овсянникова и Б.Н. Боровского «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, Машиностроение, 1979 г., стр. 328), что приведет к разрушению подшипниковой опоры.
Известна конструкция спирального двухвиткового отвода центробежного насоса, позволяющая создать радиально симметричное течение на выходе из колеса и значительно уменьшить радиальное усилие на колесе не только на номинальном расходе жидкости через насос, но и на расходах, значительно отличающихся от номинального (см. книгу Б.В. Овсянникова и Б.И. Боровского «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, Машиностроение, 1979 г., стр. 328, рис. 5.18, и авторское свидетельство СССР №1298427, F04D 29/42).
Но данные конструкции имеют следующие недостатки:
а) из-за появления дополнительных поверхностей корпуса, с которыми соприкасается жидкость, перемещающаяся с большой скоростью, падает к.п.д. и напор насоса по сравнению с одновитковым отводом;
б) несмотря на повышение прочности и жесткости корпуса, такой корпус чрезвычайно сложен в изготовлении, а параметры насоса (к.п.д., напор) очень чувствительны к точности изготовления соотношения площадей, что усложняет отработку и доводку центробежного насоса (см. книгу Б.В. Овсянникова и Б.И. Боровского «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, Машиностроение, 1986 г., стр. 140, рис. 3.11). По авторскому свидетельству №1298427 заявителем было изготовлено 2 экспериментальных корпуса со спиральным двухвитковым отводом. Оказалось, что требование по сохранению к.п.д. и напора невыполнимо из-за сильной чувствительности этих параметров к точности:
- изготовления геометрии отвода;
- соотношения выходных и входных площадей.
Но при этом радиальное усилие на центробежное колесо и, соответственно, на подшипниковую опору удалось значительно снизить.
Известна конструкция центробежного насоса с кольцевым лопаточным диффузором, взятого за прототип изобретения, где равномерно выполнены несколько отводов, обеспечивающих равномерное поле давления над колесом, исключая при этом появление радиальной силы, действующей на колесо и подшипниковую опору (см. книгу Б.В. Овсянникова и Б.И. Боровского «Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей», г. Москва, Машиностроение, 1971 г., стр. 203, рис. 3.19). Такая конструкция центробежного насоса вполне работоспособна, но значительно утяжелена по сравнению с одновитковым отводом из-за более тяжелого лопаточного диффузора и появления дополнительного спирального сборника и конического диффузора, увеличивающих вес и габариты центробежного насоса, что неприемлемо для ТНА разгонных блоков - верхних ступеней ракет.
Изобретение решает задачу обеспечения работоспособности путем уменьшения радиальной силы на подшипниковых опорах ТНА разгонных блоков без увеличения веса и габаритов с сохранением простоты конструкции и надежности при длительной работе (более 10000÷45000 сек при 15 и более включениях). Для этого на периферии спирального одновиткового отвода центробежного насоса выполнены две дополнительные полости, гидравлически сообщенные между собой через перепускные отверстия в отводе с внутренней полостью насоса и перепускным трубопроводом, причем дополнительные полости расположены на 90° и 270° соответственно относительно языка диффузора по направлению движения жидкости. При таком исполнении конструкции центробежного насоса выравнивается поле давления жидкости над центробежным колесом, что исключает появление значительной радиальной силы, действующей на подшипниковую опору насоса, с сохранением высоких энергетических параметров (к.п.д. и напор).
Изобретение поясняется чертежами, где представлен центробежный насос с дополнительными полостями и перепускным трубопроводом: на Фиг. 1 - осевое сечение насоса А-А, на Фиг. 2 - распределение давления жидкости в улитке насоса, на Фиг. 3 - насос согласно изобретению. Центробежный насос включает корпус насоса 1, центробежное рабочее колесо 2, диффузный канал 3 с языком диффузора 4, подшипниковую опору 5, дополнительные полости 6 и 7, перепускные отверстия 8 и перепускной трубопровод 9.
При работе центробежного насоса в составе ТНА разгонного блока жидкость повышенного давления из зоны 2 (см. Фиг. 2) дополнительной полости 6 через перепускные отверстия 8 (см. Фиг. 1 и Фиг. 3) сбрасывается через перепускной трубопровод 9 (см. Фиг. 1 и Фиг. 2) в зону 1 (см. Фиг. 2) дополнительной полости 7, что обеспечивает равномерность эпюры давления над рабочим центробежным колесом 2 (см. Фиг. 3). При этом отсутствует радиальная сила, действующая на подшипниковую опору 5.
Использование изобретения позволит исключить появление радиальной силы, действующей на подшипниковую опору, и обеспечит ее работоспособность при длительной работе на различных режимах по оборотам и при многократных включениях двигателя.