МАЛОРАСХОДНЫЙ ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к малорасходным турбонасосным агрегатам, применяемым в качестве агрегатов подачи компонентов топлива в жидкостных ракетных двигателях малой тяги, например в двигателях разгонных блоков или верхних ступеней ракет носителей.
Предшествующий уровень техники
В технике известны турбонасосные агрегаты, применяемые в составе жидкостных ракетных двигателей, и имеющие в своем составе турбину и один или несколько насосов, один из которых, как правило, насос, перекачивающий компонент, избыток которого определяет состав рабочего газа турбины, соединен непосредственно с турбиной и имеет с ней общий вал. При этом подшипники насоса охлаждаются перекачиваемой жидкостью, часть которой затем сбрасывается на вход в насос. (см. кн. «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей». Под общей редакцией Г.Г.Гахуна - М.: Машиностроение, 1989, с.198. рис.10.4б и стр.201. рис 10.6а). Указанные схемы принимаем за аналог предлагаемой полезной модели.
Недостатком такой конструкции является тепловое воздействие горячей газовой турбины на присоединенный к ней насос, приводящее к нагреву перекачиваемого этим насосом компонента топлива и, соответственно, к уменьшению его плотности и вязкости, что в свою очередь негативно сказывается на характеристиках насоса.
Величина этого воздействия зависит от мощности турбины, разницы температур конструкций турбины и насоса, а также от количества перекачиваемого насосом компонента топлива и его теплофизических характеристик, в первую очередь от зависимости плотности и вязкости компонента от температуры. Указанное воздействие несущественно для турбонасосных, агрегатов мощных ЖРД, насосы которых обеспечивают подачу от сотен литров до кубометров в секунду, и увеличивается с уменьшением размерности двигателя и, соответственно турбонасосного агрегата.
Влияние этого недостатка особенно велико для малорасходных турбонасосных агрегатов двигателей малой тяги, в которых расход перекачиваемого компонента слишком мал, для того чтобы без заметного изменения свойств поглотить тепло, передающееся от турбины.
Кроме того, к дополнительному нагреву компонента приводит также сброс различных утечек на вход в насос, в первую очередь части расхода, использованного для охлаждения подшипников.
Известны также турбонасосные агрегаты, турбина которых охлаждается небольшой частью расхода одного из компонентов в жидкой или газообразной фазе, который отбирается из какой-либо полости высокого давления, и проходит по специально предусмотренным в конструкции статора турбины каналам, уменьшая температуру конструкции турбины и, соответственно, разницу температур между конструкциями насоса и турбины см, например, турбонасосные агрегаты двигателя SSME (прототип предполагаемой полезной модели). Турбины и газоводы обоих турбонасосных агрегатов данною двигателя охлаждаются частью общего расхода водорода, газифицированного в одном из участков охлаждения сопла, далее использованного для привода бустерного насоса горючего. Использованный для охлаждения водород сбрасывается затем в газовый тракт двигателя (см. кн. «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей». Под общей редакцией Г.Г.Гахуна - М.: Машиностроение, 1989, стр. 94; рис.5.7).
Недостатком этой схемы охлаждения также является то, что ее нельзя применить для малорасходных турбонасосных агрегатов, так как доля компонента необходимого для надежного охлаждения турбины становится соизмеримой с общим расходом компонента через насос. В этом случае, сброс компонента в газовый тракт, минуя газогенератор, приводит к уменьшению количества компонента, поступающего в газогенератор, и, следовательно, к уменьшению массового расхода рабочего газа через турбину. Это, в свою очередь, требует существенного увеличения температуры газа, необходимого для обеспечения требуемой мощности турбины. Возврат же горячего компонента, использовавшегося для охлаждения турбины, на вход в насос невозможен из-за опасности чрезмерного нагрева компонента, поступающего в насос.
Раскрытие полезной модели
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в уменьшении влияния на работоспособность и характеристики малорасходного турбонасосного агрегата теплового потока, идущего от горячих узлов конструкции турбонасосного агрегата, в первую очередь от газовой турбины, к соединенному с ними холодному насосу. Горячими узлами в рассматриваемом случае являются турбина, а также соединенные с ней газогенератор, газовод и камера сгорания с соплом, тепло от которых также может передаваться насосу за счет теплопроводности конструкции во время работы двигателя.
Полученный технический результат заключается в повышении стабильности характеристик насоса во время работы, а также в уменьшении объема нагретых утечек, вбрасываемых на вход в насос.
Эта задача решена за счет того, что в малорасходном турбонасосном агрегате содержащим турбину и насос, корпуса которых соединены между собой, общий вал, опирающийся на подшипники, рабочие колеса турбины и насоса, размещенные на общем валу и направляющий аппарат, установленный на выходе рабочего колеса, отличающийся тем, что выход из направляющего аппарата насоса соединен с выходным патрубком насоса через последовательно соединенные гидравлический тракт и кольцевой коллектор, который расположен в стыке между корпусами насоса и турбины, кроме того гидравлический тракт включает в себя последовательно соединенные между собой: кольцевой канал, расположенный в корпусе насоса над подшипниками, перепускной коллектор и дополнительный коллектор, также расположенный в зоне стыка корпусов насоса и турбины, при этом выход из перепускного коллектора также соединен с проточной полостью подшипников, которая гидравлически соединена с входом насоса через отверстие, выполненное в его колесе, причем кольцевой канал, расположенный в корпусе насоса над подшипниками выполнен оребренным.
Такое решение позволяет охладить стык насоса с турбиной и примыкающего к турбине участка конструкции насоса, максимально возможным количеством компонента, перекачиваемого насосом, в рассматриваемом случае полным расходом, без последующего возврата подогретого компонента на вход в насос. Кроме того, это позволит улучшить, охлаждение стыка насоса с турбиной и тем самым уменьшить количества тепла, передаваемое от турбины к насосу во время работы турбонасосного агрегата, а также ограничить объем компонента, возвращаемого на вход в насос, объемом естественных утечек.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется рисунком, на котором изображено продольное сечение малогабаритного турбонасосного агрегата.
Пример реализации полезной модели
Турбонасосный агрегат 1 включает в себя газовую турбину 2 в качестве привода и насос 3, корпуса 4 и 5 которых, соединены между собой, общий вал 6, опирающийся на подшипники 7. Рабочее колесо 8 турбины 2 и рабочее колесо 9 насоса 3 установлены на общем валу 6. на выходе рабочего колеса 9 насоса 3 установлен направляющий аппарат 10. Выход из направляющею аппарата 10 соединен с выходным патрубком 11 насоса через последовательно соединенные гидравлический тракт и кольцевой коллектор 12, который расположен в стыке между корпусами насоса 3 и турбины 2. Гидравлический тракт включает в себя последовательно соединенные между собой: кольцевой канал 13, расположенный в корпусе 5 насоса над подшипниками 7, перепускной коллектор 14 и дополнительный коллектор 15, также расположенный в зоне стыка корпусов насоса и турбины. Выход из перепускного коллектора 14 соединен с проточной полостью 16 подшипников 7, которая гидравлически соединена со входом 17 насоса через отверстие 18, выполненное в его колесе 9. Кольцевой канал 13, расположенный в корпусе 5 насоса 3 над подшипниками 7 выполнен оребренным.
Работа устройства
Во время работы тубронасосного агрегата весь перекачиваемый насосом 3 компонент топлива с выхода направляющегося аппарата 10, поступает в гидравлический тракт, который включает в себя последовательно соединенные между собой: кольцевой канал 13, перепускойно коллектор 14 и пололнительный коллектор 15, и далее - в кольцевой коллектор 12 и в выходной патрубок 11 насоса 3. Одновременно компонент топлива из перепускного коллектора 14 поступает в проточную полость 16 подшипников 7 подается на вход насоса через отверстие 18, выполненное в его колесе 9.
Такое решение обеспечивает максимальный съем тепла с участка конструкции, через который передается тепло от турбины к насосу и минимизирует влияние горячей турбины на работу насоса, а также обеспечивает смазку и охлаждение подшипников.
Промышленная применимость
Полезная модель может использоваться в малорасходных турбонасосных агрегатах, например предназначенных для ЖРД малых тяг, использующих для работы криогенные компоненты, а также в агрегатах, перекачивающих криогенные жидкости.