Турбонасосный агрегат
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 ЖРД одним из ключевых моментов создания турбонасосного агрегата является обеспечение работоспособности и высокой экономичности турбины ТНА. Одно из важнейших направлений повышения коэффициента полезного действия (КПД) турбины - минимизация утечек через уплотнения. В качестве уплотнений турбин применяют, как правило, бесконтактные уплотнения, Однако, известные конструкции таких уплотнений обладают определенными недостатками - силовые и температурные деформации элементов конструкции приводят к увеличению уплотнительного зазора и, как следствие, росту утечек рабочего газа и снижению КПД.
Известна конструкция турбонасосного агрегата, состоящего из насоса и турбины, вала, опирающегося на подшипники, установленных на валу рабочего колеса турбины и крыльчатки, корпуса и разделительной полости с уплотнениями вала со стороны полости насоса и полости перед колесом турбины, которая каналом в корпусе и внешним отводящим трубопроводом соединена с магистралью двигателя, давление в которой ниже давления в полости турбины. (Патент РФ №2525775 от 20.02.2013 г. МПК F04D 13/04, F04D 29/58 (2006.01), Бюл. №23 от 20.08.2014 г. «Турбонасосный агрегат ЖРД» - прототип).
Недостатком такой конструкции является увеличение радиального зазора между рабочим колесом и корпусом турбины при работе ТНА, что ведет к снижению экономичности турбины, изменению характеристик агрегата. Из-за нагрева корпуса под воздействием высокотемпературного рабочего тела турбины радиальный зазор в уплотнении турбины под действием температурных деформаций увеличивается, приводя к увеличению утечек, что снижает экономичность турбины и турбонасосного агрегата.
Настоящее изобретение направлено на повышение надежности ТНА и коэффициента полезного действия турбонасосного агрегата.
Технический эффект достигается тем, что в турбонасосном агрегате, содержащем насос и турбину, вал, опирающийся на подшипники, установленные на валу рабочее колесо турбины и крыльчатку, корпус и разделительную полость с уплотнениями вала со стороны полости насоса и полости перед колесом турбины, согласно изобретению разделительная полость каналом в корпусе соединена с буферной полостью над податливой оболочкой, образующей совместно с наружной поверхностью рабочего колеса турбины уплотнение турбины; буферная полость над податливой оболочкой соединена каналами сброса с полостью за рабочим колесом турбины; буферная полость над податливой оболочкой соединена каналами сброса рабочего тела в зону уплотнительного зазора с полостью уплотнения турбины; буферная полость над податливой оболочкой соединена каналами сброса и каналами сброса рабочего тела в зону уплотнительного зазора с полостью уплотнения турбины и полостью за рабочим колесом турбины соответственно; буферная полость над податливой оболочкой соединена каналами сброса с полостью за рабочим колесом турбины; буферная полость над податливой оболочкой соединена каналами сброса рабочего тела в зону уплотнительного зазора с полостью уплотнения турбины; буферная полость над податливой оболочкой соединена каналами сброса и каналами сброса рабочего тела в зону уплотнительного зазора с полостью уплотнения турбины и полостью за рабочим колесом турбины соответственно.
На фиг. 1 показан общий вид (исходный вариант конструкции), на фиг. 2 - вариант конструкционного решения предлагаемого турбонасосного агрегата, на фиг. 3-8 увеличенные элементы конструкции с вариантами предлагаемого турбонасосного агрегата где:
1 - насос;
2 - турбина;
3 - вал;
4, 5 - подшипник;
6 - колесо турбины;
7 - крыльчатка;
8 - разделительная полость;
9 - уплотнение вала между разделительной полостью и насосом;
10 - уплотнение вала между разделительной полостью и турбиной;
11 - канал в корпусе;
12 - буферная полость над уплотнением турбины;
13 - корпус;
14 - податливая оболочка;
15 - внешний отводящий трубопровод;
16 - каналы сброса;
17 - каналы сброса рабочего тела в зону уплотнительного зазора.
Вариант конструкции турбонасосного агрегата (фиг. 1) состоит из насоса 1, турбины 2, вала 3, установленного. Вал установлен на подшипниках 4, 5. На валу установлены колесо турбины 6 и крыльчатка 7. Полость турбины отделена от насоса разделительной полостью 8 с уплотнениями 9 и 10. Каналом в корпусе 11 разделительная полость 8 соединена с буферной полостью над уплотнением турбины 12, образованной корпусом 13 и податливой оболочкой 14, давление в которой ниже давления в разделительной полости. Наружная поверхность колеса турбины 6 и податливая оболочка 14 образуют уплотнение турбины, например, щелевое, лабиринтное или ступенчатое. Разделительная полость 8 может быть соединена с буферной полостью над уплотнением турбины 12 с помощью канала 11 и внешнего отводящего трубопровода 15 (фиг. 2). Рабочее тело из буферной полости над уплотнением турбины 12 может сбрасываться за рабочее колесо турбины 6 через каналы сброса 16 (фиг. 3, 6), которые могут быть выполнены как параллельно оси ротора, так и под произвольным углом к ней. Сброс рабочего тела из буферной полости 12 может быть организован в зону уплотнительного зазора между колесом турбины 6 и податливой оболочкой 14 через каналы сброса 17 (фиг. 4, 7). Каналы 17 сброса рабочего тела из буферной полости над уплотнением в зону уплотнительного зазора могут выполняться как перпендикулярно потоку, так и под углом к нему, в том числе тангенциально, в один или несколько рядов.
Возможен сброс рабочего тела из буферной полости 12 частично за рабочее колесо турбины через каналы сброса 16, частично в полость уплотнительного зазора через каналы сброса 17 (фиг. 5, 8).
Предложенное устройство работает следующим образом.
При начале работы турбонасосного агрегата (фиг. 1) рабочее тело насоса 1 через уплотнение 9 между разделительной полостью 8 и насосом 1 и высокотемпературное рабочее тело из турбины 2 через уплотнение 10 между турбиной 2 и разделительной полостью 8 попадают в разделительную полость 8. Затем смесь из рабочего тела насоса 1 и высокотемпературного рабочего тела турбины 2 через канал в корпусе 11 поступает в буферную полость над уплотнением турбины 12, образованную корпусом 13 и податливой оболочкой 14, охлаждая оболочку, которая совместно с наружной поверхностью рабочего колеса турбины 6 образует уплотнение турбины. Из буферной полости 12 смесь рабочего тела насоса 1 и высокотемпературного рабочего тела турбины 2 сбрасывается за рабочее колесо турбины 6 по каналам сброса 16 (фиг. 3). Возможен сброс высокотемпературного рабочего тела турбины 2 в зону радиального зазора уплотнения, образованного податливой оболочкой 14 и рабочим колесом турбины 6 по каналам сброса рабочего тела в зону уплотнительного зазора 17 (фиг 4). Также возможна реализация процесса сброса высокотемпературного рабочего тела турбины 2 частично за рабочее колесо турбины 6, частично в зону радиального зазора уплотнения по каналам сброса 16 и по каналам сброса рабочего тела в зону уплотнительного зазора 17 соответственно (фиг 5).
При начале работы турбонасосного агрегата (фиг. 2) рабочее тело насоса 1 через уплотнение 9 между разделительной полостью 8 и насосом 1 и высокотемпературное рабочее тело из турбины 2 через уплотнение 10 между турбиной 2 и разделительной полостью 8 попадают в разделительную полость 8. Затем смесь из рабочего тела насоса 1 и высокотемпературного рабочего тела турбины 2 через канал в корпусе 11 и внешний отводящий трубопровод 15 поступает в буферную полость над уплотнением турбины 12, образованную корпусом 13 и податливой оболочкой 14, охлаждая оболочку, которая совместно с наружной поверхностью рабочего колеса турбины 6 образует уплотнение турбины. Из буферной полости 12 смесь рабочего тела насоса 1 и высокотемпературного рабочего тела турбины 2 сбрасывается за рабочее колесо турбины 6 по каналам сброса 16 (фиг. 6). Возможен сброс высокотемпературного рабочего тела турбины 2 в зону радиального зазора уплотнения, образованного податливой оболочкой 14 и рабочим колесом турбины 6 по каналам сброса рабочего тела в зону уплотнительного зазора 17 (фиг 7). Также возможна реализация процесса сброса высокотемпературного рабочего тела турбины 2 частично за рабочее колесо турбины 6, частично в зону радиального зазора уплотнения по каналам сброса 16 и по каналам сброса рабочего тела в зону уплотнительного зазора 17 соответственно (фиг 8).
В исходном варианте конструкции температурные деформации статорного элемента уплотнения из-за того, что корпус нагревается от высокотемпературного рабочего тела турбины, ведут к увеличению уплотнительного зазора. В турбине ТНА, созданного с использованием предлагаемого изобретения, за счет подачи низкотемпературного рабочего тела в буферную полость над уплотнением турбины, температурные деформации податливой оболочки направлены на уменьшение радиального зазора и падения экономичности турбины при ее работе не происходит. В зависимости от сочетания силовых и температурных деформаций колеса турбины и податливой оболочки рабочий радиальный зазор может уменьшаться до значений меньших величины монтажного радиального зазора. Благодаря этому происходит дополнительное увеличение КПД турбины.
Из буферной полости над податливой оболочкой, образующей статорную часть уплотнения турбины, рабочее тело через каналы сброса может сбрасываться как за рабочее колесо турбины, так и в полость уплотнения турбины, обеспечивая, в том числе, унос посторонних частиц и продуктов износа, возникающих при контакте роторного и статорного элементов уплотнения из зоны уплотнительного зазора.
Таким образом, турбонасосный агрегат, созданный с использованием предлагаемого изобретения, имеет более высокую экономичность, благодаря пониженным утечкам рабочего тела через уплотнение турбины, обеспечиваемым уменьшенной величиной радиального рабочего зазора в уплотнении из-за отрицательных значений температурных деформаций податливой оболочки. Кроме турбонасосных агрегатов ЖРД, изобретение может использоваться в турбонасосных агрегатах ядерных ракетных двигателей, агрегатах общепромышленного назначения, в том числе работающих на криогенных рабочих телах.
Использование изобретения обеспечивает повышение экономичности турбины ТНА за счет исключения увеличения радиального зазора в уплотнении из-за разности деформаций роторной и статорной частей уплотнения. Рабочий радиальный зазор в уплотнении турбины определяется следующей зависимостью:
p
м
c
p
δR=δR+ΔR-ΔR,
м
где δR - монтажный радиальный зазор в уплотнении (радиальный зазор в уплотнении при сборке);
- деформации статорного элемента уплотнения;
- деформация статорного элемента уплотнения от воздействия силовых факторов (давления);
- деформации статорного элемента уплотнения от воздействия температурных факторов (изменения температуры при работе по сравнению с температурой при сборке);
- деформация роторного элемента уплотнения;
- деформация роторного элемента уплотнения от воздействия
силовых факторов (давления, центробежных нагрузок);
- деформации роторного элемента уплотнения от воздействия
температурных факторов (изменения температуры при работе по сравнению с температурой при сборке).
Составляющие деформации имеют положительный знак, если ведут к увеличению рабочего радиального зазора в уплотнении по сравнению с монтажным радиальным зазором и отрицательный, если ведут к его уменьшению.
Так как в предлагаемых конструкциях турбонасосного агрегата обеспечивается уменьшение радиального рабочего в уплотнении турбины при ее работе за счет охлаждения податливой оболочки низкотемпературным рабочим телом, подводимым из разделительной полости в буферную полость над податливой оболочкой, утечка высокотемпературного рабочего тела турбины через уплотнение турбины уменьшается, что обеспечивает повышение общей эффективности турбонасосного агрегата.