ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ЖРД
SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE TURBOPUMP UNIT

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области лопаточных машин, и может быть использовано в области ракетостроения, в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и ядерных ракетных двигателей (ЯРД).
При создании ТНА ЖРД одним из ключевых моментов создания агрегата является обеспечение его запуска, особенно для двигателей, работающих на криогенных жидкостях (компонентах топлива). Для обеспечения запуска часто используется предварительное захолаживание конструкции, что ведет к потере криогенных компонентов топлива. Этот способ обеспечивает надежный запуск, но обладает определенными недостатками, основными из которых являются: значительные потери криогенных жидкостей, которые невозможно компенсировать от внешнего источника, например при запуске второй или третьей ступени ракеты или разгонного блока; усложнение схемы ЖРД и рост его массы из-за необходимости применения специальной системы обеспечения захолаживания; усложнение конструкции ТНА из-за необходимости введения в его состав стояночных уплотнений; усложнение процедуры подготовки двигателя к запуску. При запуске без предварительного захолаживания криогенные жидкости, непосредственно соприкасающиеся с теплой (неохлажденной до температуры криогенного компонента) конструкцией газифицируются (вскипают и переходят в парообразное состояние) в проточной части, что ведет к кавитационному срыву насоса при попадании значительного объема газифицированной жидкости во входную часть крыльчатки. Кроме того, возможно заклинивание подшипника из-за разности скорости захолаживания внутреннего и наружного колец и тел качения.
Известна конструкция турбонасосного агрегата, состоящего из насоса и турбины, вала, опирающегося на шарикоподшипники, установленные на валу рабочее колесо турбины и крыльчатку, корпус и разделительную полость с уплотнениями вала, отделяющими полость турбины от полости насоса, полость за крыльчаткой, полость за уплотнением, расположенным со стороны насоса, которая через разгрузочные отверстия соединена с входной полостью крыльчатки (Дмитренко А.И. Развитие конструкции турбонасосных агрегатов ЖРД, разработанных в КБХА // Научно-технический юбилейный сборник. КБ химавтоматики - ИПФ. Воронеж, 2001. - С.308-314 - прототип).
Указанная конструкция турбонасосного агрегата является типовой для ТНА ЖРД с дожиганием. Недостатком такой конструкции является наличие повышенных утечек «горячей» рабочей жидкости во входную часть крыльчатки насоса при запуске, что ведет к тепловому кавитационному срыву на запуске, ухудшает антикавитационные качества насоса, ведет к снижению суммарной экономичности турбонасосного агрегата.
Настоящее изобретение направлено на повышение надежности запуска ТНА ЖРД, работающих на криогенных компонентах, коэффициента полезного действия турбонасосного агрегата и улучшение антикавитационных качеств насоса.
Технический эффект достигается тем, что в турбонасосном агрегате ЖРД, содержащем насос и турбину, вал, опирающийся на шарикоподшипники, установленные на валу рабочее колесо турбины и крыльчатку, корпус и разделительную полость с уплотнениями вала, отделяющими полость турбины от полости насоса, полость за уплотнением, расположенным между разделительной полостью и насосом, полость за крыльчаткой, согласно изобретению разделительная полость соединена с полостью высокого давления каналом, а полость за уплотнением, расположенным между разделительной полостью и насосом, объединена с полостью за крыльчаткой. Разделительная полость может быть соединена с полостью высокого давления каналом и внешним подводящим трубопроводом. Подшипник, расположенный между насосом и турбиной, может быть установлен в разделительной полости. При этом диаметры уплотнений, расположенных между разделительной полостью и насосом, между разделительной полостью и турбиной, могут быть различными.
В другом варианте технический эффект достигается тем, что в турбонасосном агрегате ЖРД, содержащем насос и турбину, вал, опирающийся на шарикоподшипники, установленные на валу рабочее колесо турбины и крыльчатку, корпус и уплотнение, отделяющие полость турбины от полости насоса, полость перед уплотнением, полость за крыльчаткой, согласно изобретению полость перед уплотнением объединена с полостью за крыльчаткой. Подшипник, расположенный между насосом и турбиной, может быть установлен в полости перед уплотнением.
Использование изобретения обеспечивает повышение надежности запуска ЖРД за счет улучшения кавитационных качеств насоса, обусловленных снижением «горячих» утечек криогенной жидкости во входную часть крыльчатки в случае запуска без предварительного захолаживания конструкции. Улучшаются условия работы подшипника за счет того, что рабочей жидкостью высокого давления происходит интенсивное вытеснение газифицированной (кипящей) жидкости из полости подшипника в полости турбины и насоса, выравнивание температуры наружного и внутреннего колец подшипника, тел качения идет быстрее, что минимизирует возможность заклинивания подшипника. Повышение экономичности ТНА достигается уменьшением утечек рабочей жидкости во входную часть крыльчатки насоса, так как полость между основным диском крыльчатки и корпусом не соединена с входной частью крыльчатки.
Подача рабочей жидкости высокого давления может осуществляться как с выхода крыльчатки насоса, так и из выходного трубопровода насоса. Для минимизации влияния турбины, особенно тепловых деформаций, вызванных разностью температур между полостями насоса и турбины, шарикоподшипник может устанавливаться в отдельный корпус.
Турбонасосный агрегат ЖРД, созданный с использованием предлагаемого изобретения, имеет более высокую экономичность и надежность за счет исключения утечек рабочей жидкости с повышенной температурой во входную часть крыльчатки при запуске, улучшения условий работы подшипника. Кроме турбонасосных агрегатов ЖРД изобретение может использоваться в агрегатах общепромышленного назначения, работающих на криогенных компонентах.
На фиг.1 показан общий вид, на фиг.2, 3, 4 - варианты предлагаемого турбонасосного агрегата, где 1 - насос; 2 - турбина; 3 - вал; 4, 5 - подшипники; 6 - колесо турбины; 7 - крыльчатка; 8 - корпус; 9 - разделительная полость; 10 - уплотнение, расположенное между разделительной полостью и турбиной; 11 - уплотнение, расположенное между разделительной полостью и насосом; 12 - полость за уплотнением со стороны насоса; 13 - полость за крыльчаткой; 14 - канал подвода рабочей жидкости высокого давления из-за крыльчатки; 15 - канал подвода рабочей жидкости высокого давления из магистрали за насосом; 16 - корпус подшипника; 17 - входная полость крыльчатки; 18 - уплотнение между турбиной и насосом; 19 - полость перед уплотнением со стороны насоса.
Турбонасосный агрегат (фиг.1) состоит из насоса 1, турбины 2, вала 3. Вал установлен на подшипниках 4, 5. На валу установлены рабочее колесо турбины 6 и крыльчатка 7. Полость турбины отделена от насоса разделительной полостью 9 с уплотнениями 10 и 11. Каналом 14 разделительная полость соединена с полостью выхода из крыльчатки. Полость подшипника может быть соединена с магистралью выхода из насоса 15 (фиг.2). Полость за уплотнением со стороны насоса 12 объединена с полостью за крыльчаткой 13, при этом исключено попадание утечки из уплотнения во входную полость крыльчатки 17. В варианте, приведенном на фиг.3, один из подшипников расположен в разделительной полости. Кроме того, подшипник, расположенный вблизи турбины, может быть установлен в отдельный корпус, исключающий или минимизирующий влияние высокотемпературной турбины на работоспособность подшипника.
В другом варианте турбонасосный агрегат (фиг.4) состоит из насоса 1, турбины 2, вала 3. Вал установлен на подшипниках 4, 5. На валу установлены рабочее колесо турбины 6 и крыльчатка 7. Полость турбины отделена от насоса уплотнением 18. Полость перед уплотнением 19 объединена с полостью за крыльчаткой 13, при этом исключено попадание утечки из уплотнения во входную полость крыльчатки 17.
Один из подшипников может быть расположен в полости перед уплотнением 18. Кроме того, подшипник, расположенный вблизи турбины, может быть установлен в отдельный корпус 16, исключающий или минимизирующий влияние высокотемпературной турбины на работоспособность подшипника.
При начале работы турбонасосного агрегата, выполненного согласно фиг.1-4, криогенная рабочая жидкость попадает в проточную часть насоса и частично газифицируется. Рабочая жидкость высокого давления поступает в полость подшипника, вытесняя газифицированные компоненты, которые через уплотнения поступают в полости турбины и насоса, причем газифицированная жидкость, поступившая в полость насоса, не попадает во входную часть крыльчатки, то есть не ухудшает ее кавитационные характеристики. В случае поступления «горячих» утечек рабочей жидкости во входную часть крыльчатки их поток, имеющий более высокую температуру, попадая в основной более холодный поток, не успевает с ним перемешиваться, в результате повышается локальная температура рабочего тела, что вызывает локальное повышение температуры насыщенных паров и раннее зарождение кавитационной каверны. Так как в предлагаемом турбонасосном агрегате исключено попадание утечек с повышенной температурой во входную часть крыльчатки, кавитационные характеристики насоса улучшатся, что ведет к повышению общей эффективности турбонасосного агрегата.