ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ЖРД
LPRE TURBO PUMP UNIT

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей, в том числе работающих на криогенных компонентах.
Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ на изобретение №2094660, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса (крыльчатки), шнек, вал и опорные узлы в виде подшипников скольжения и качения. Насос имеет плохие кавитационные свойства.
Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, МПК 6 F04D 13/04, 10.03.98 г, прототип. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, крыльчатку и шнек, установленные на валу. Шнек улучшает кавитационные свойств насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. Шнек обеспечивает повышение кавитационных свойств насоса, 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.
Известен турбонасосный агрегат (ТНА) по патенту РФ на изобретение №2083881, прототип. Этот ТНА содержит многоступенчатый центробежный насос и двухступенчатую турбину, соединенные валом, установленным на подшипниках в корпусах.
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.
Задачи создания изобретения - улучшение кавитационных свойств двух насосов обеспечение разгрузки всех валов.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что турбонасосный агрегат ЖРД, содержащий турбину, первое, второе и третье центробежные рабочие колеса центробежных насосов окислителя горючего и дополнительного насоса горючего, отличается тем, что турбина выполнена трехступенчатой с тремя рабочими колесами: первым, вторым и третьим, установленными соответственно на внешнем, промежуточном и внутреннем валах, насосы окислителя и горючего выполнены со шнеками, установленными перед центробежными рабочими колесами, при этом внешний вал соединен с центробежным рабочим колесом насоса окислителя, промежуточный вал соединен с первым шнеком и центробежным рабочим колесом насоса горючего, а внутренний вал соединен со вторым шнеком и центробежным рабочим колесом дополнительного насоса горючего, выход насоса горючего и вход в дополнительный насос горючего соединены трубопроводом. Рабочее колесо третьей ступени турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо второй ступени турбины, а рабочее колесо второй ступени турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо первой ступени турбины. Внутри внешнего вала выполнен канал перепуска перекачиваемого продукта для смазки подшипников, на которых установлены валы. На торцах рабочих колес турбин и центробежных рабочих колес выполнены кольцевые уплотнения, формирующие разгрузочные полости.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведен турбонасосный агрегат.
Турбонасосный агрегат (ТНА) содержит турбину 1 и три центробежных насоса: насос окислителя 2, насос горючего 3 и дополнительный насос горючего 4. Насос окислителя 2 расположен ближе к турбине 1, работающей на кислом газу (с избытком окислителя). Далее расположены насос горючего 3 и дополнительный насос горючего 4. Турбина 1 выполнена трехступенчатой и содержит рабочие колеса первой ступени 5, второй ступени 6 и третьей ступени 7, соответственно с рабочими лопатками 71, 8 и 9. Кроме того, турбина 1 содержит три сопловых аппарата 10, 11 и 12, установленные соответственно перед рабочими лопатками 71, 8 и 9 трех ступеней турбины. 1. Турбина 1 содержит передний корпус 13 и задний корпус 14. К переднему корпусу 13 подстыкован входной патрубок 15 с входной полостью 16, а к заднему корпусу 14 подстыкован выходной патрубок 17 с выходной полостью 18. Между ступенями турбины 1 установлены диафрагмы 19 и 20. На торцах рабочих колес турбин 5, 6 и 7 выполнены кольцевые уплотнения 21, 22 и 23, под которыми сформированы разгрузочные полости 24, 25 и 26. К корпусу 14 подстыкован соединительный корпус 27. ТНА содержит три вала: внешний 28, промежуточный 29 и внутренний 30. Рабочее колесо первой ступени 5 установлено на внешнем валу 28, рабочее колесо второй ступени 6 установлено на промежуточном валу 29 и рабочее колесо третьей ступени 7 установлено на внутреннем валу 30.
Насос окислителя 2 выполнен центробежным и содержит центробежное рабочее колесо 31, имеющее ступицу 32 и первый шнек 33, установленные в корпусе 34, к которому подстыкован входной корпус 35 с входной полостью 36 и выходной корпус 37 с выходной полостью 38. На торце центробежного рабочего колеса 31 выполнено заднее уплотнение 39, под которым сформирована разгрузочная полость 40.
Насос горючего также выполнен центробежным и имеет аналогичную конструкцию и содержит центробежное рабочее колесо 41, имеющее ступицу 42 и первый шнек 43, установленные в корпусе 44, к которому подстыкован входной корпус 45 с входной полостью 46 и выходной корпус 47 с выходной полостью 48. На торце центробежного рабочего колеса 41 выполнено заднее уплотнение 49, под которым сформирована разгрузочная полость 50.
Дополнительный насос горючего 4 также выполнен центробежным и имеет также аналогичную конструкцию, но не содержит шнека. Дополнительный насос горючего содержит центробежное рабочее колесо 51, имеющее ступицу 52, установленные в корпусе 53, к которому подстыкован входной корпус 54 с входной полостью 55 и выходной корпус 56 с выходной полостью 57. На торце центробежного рабочего колеса 51 выполнено заднее уплотнение 58, под которым сформирована разгрузочная полость 59. Центробежное рабочее колесо 51 крепится на внутреннем валу 30 конической гайкой 60. Трубка 61 соединяет выход из насоса горючего 3 с входом в дополнительный насос горючего 4.
В ступицах 32, 42 и 52 центробежных рабочих колес 31, 41 и 51 выполнены внутренняя полости 62 и отверстия 63. Эти отверстия 63 соединяют внутренние полости 62 с полостями центробежных рабочих колес 31, 41 и 51 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежных рабочих колес 31, 41 и 51.
Первое центробежное рабочее колесо 31 установлено на внешнем валу 28, который установлен в подшипниках 64, первый шнек 33 и второе центробежное рабочее колесо 41 установлены на промежуточном валу 29, который установлен на подшипниках 65, а второй шнек 43 и третье центробежное рабочее колесо 51 установлены на внутреннем валу 30, который установлен в подшипниках 66.
Внешний вал 28 уплотнен уплотнениями 67, промежуточный вал 29 уплотнен уплотнениями 68, а внутренний вал 30 уплотнен уплотнениями 69.
Между уплотнениями 67…69 образованы каналы 70 для подвода перекачиваемого продукта для смазки.
Рабочее колесо третьей ступени 7 турбины 1 имеет меньший диаметр, чем рабочие колеса второй ступени 6 турбины 1. Это необходимо для того, чтобы третья ступень 7 турбины 1 получилась меньшей мощности, чем другие ступени, потому что она имеет самую малую нагрузку 20%…25% от всей мощности турбины 1, достаточную для привода второго шнека 43 и третьего центробежного рабочего колеса 51. Рабочее колесо второй ступени 6 имеет диаметр, меньший, чем рабочее колесо первой ступени 5, и развивает мощность 25…35% от общей мощности турбины 1.
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 16 внутрь трехступенчатой турбины 1 и проходит через сопловые аппараты 10, 11 и 12 и рабочие лопатки 71, 8, 9. Внутри центробежных рабочих колес 31, 41 и 51 и на выходе из них, т.е. в полостях 38, 48 и 57 повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5%…7%) через задние уплотнения 39, 49 и 58 поступает в разгрузочные полости 40, 50 и 59 и далее на смазку соответствующих подшипников. Этот расход перекачиваемого продукта возвращается внутрь центробежных рабочих колес 31, 41 и 51.
Так как шнек 33 вращается с угловой скоростью в 1,5…2 раза меньшей, чем центробежное рабочее колесо 31 первого центробежного насоса 2, а второй шнек 43 со скоростью в 1,5…2 раза меньшей, чем второй центробежное колесо 42, то предотвращается кавитация на входе в насос окислителя 2 и насос горючего 3. Из-за пониженных оборотов самих шнеков 33, 43 кавитация на их входных кромках также исключается.
При работе ТНА в разгрузочных полостях 40, 50 и 59 центробежных насосов 2, 3 и 4 и в разгрузочных полостях 24, 25 и 26 турбины 1 возникает пониженное давление перекачиваемого продукта и газа соответственно. Это способствует уменьшению осевых сил, действующих на внешний вал 28, промежуточный вал 29 и внутренний вал 30.
Применение изобретения позволило следующее.
1. Значительно улучшить кавитационные свойства трех насосов, например насосов окислителя и двух насосов горючего, в том числе дополнительного, в ТНА, предназначенном для ЖРД, за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнеков.
2. Обеспечить разгрузку осевых сил промежуточного и внешнего валов и уменьшить осевые, действующие на внутренний вал.
3. Спроектировать насосы очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежных рабочих колес насосов до предельно допустимых по прочности.
4. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосах вследствие кавитации на их входах.
5. Создать турбонасосный агрегат ЖРД с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности трех насосов, за счет уменьшения диаметра ступеней турбин от первой к третьей, при применении для нее трех ступеней.