Бустерный турбонасосный агрегат ЖРД
BOOSTER TURBO PUMP UNIT OF LPE

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), преимущественно в двигателях с большой и средней тягой.
В ЖРД широко применяются бустерные турбонасосные агрегаты (БТНА) с осевым насосом, приводом для которого служит гидравлическая или газовая турбина. Такие БТНА, вследствие простоты конструкции обладают высокой надежностью. Одной из основных проблем при их создании является обеспечение разгрузки подшипников от действия осевых сил. Особенно остро указанная проблема проявляется в бустерных турбонасосных агрегатах ЖРД средней и большой тяги. Это связано с тем, что при работе бустерного турбонасосного агрегата с осевым насосом на его осевое рабочее колесо действует осевое усилие, обусловленное создаваемым им перепадом давлений. Это осевое усилие действует в направлении от выхода к входу в насос. Чем выше перепад давления, создаваемый насосом, и чем больше диаметр осевого колеса насоса, увеличивающийся с увеличением тяги двигателя, тем больше величина осевого усилия, действующего на осевое колесо насоса. Величина этого усилия может составлять несколько тысяч килоньютон. Вследствие этого подшипники, особенно зафиксированный, имеют ограниченный ресурс, который может быть недостаточен для современных ЖРД с многократным включением и длительным временем работы.
Известен бустерный турбонасосный агрегат для ЖРД с осевым насосом, содержащий корпус, помещенный в нем вал, на который с одной стороны установлено осевое колесо насоса и закрепленное на его периферии колесо гидротурбины, а с другой стороны установлены зафиксированный в корпусе осевыми упорами корпуса подшипник и подвижный в осевом направлении относительно корпуса подшипник (Патент РФ 2135811 С1. Жидкостный ракетный двигатель. Опубликовано 27.08.1999).
Такое устройство обладает следующим недостатком. При работе БТНА на его рабочее колесо действует осевое усилие, вызванное создаваемым им перепадом давления, которое действует в направлении от выхода ко входу в насос и воспринимается зафиксированным в осевом направлении подшипником. Чем выше перепад давления, создаваемый насосом, тем больше осевое усилие, действующее на этот подшипник. Вследствие этого зафиксированный подшипник имеет ограниченный ресурс.
Известен бустерный турбонасосный агрегат с осевым насосом, содержащий корпус, в котором есть вход и выход для подаваемого рабочего тела, а также вход и выход для рабочего тела турбины, рабочее колесо насоса установлено на подшипниках в корпусе. С ним скреплено рабочее колесо турбины, которое имеет профилированные лопатки. Выход турбины непосредственно сообщен с выходом насоса. В качестве рабочего тела турбины служат продукты сгорания в кислороде горючего, например, углеводородного, с избытком кислорода. Рабочее колесо турбины закреплено на периферийной диаметральной части рабочего колеса насоса. В насосе имеется канал высокого давления, в который подается жидкий кислород высокого давления, обеспечивая разгрузку шнека от действия осевых сил (патент РФ 21064534 С1. Бустерный турбонасосный агрегат. Опубликовано 10.03.1998).
Устройство такого БТНА обладает следующими недостатками:
- утечка жидкого компонента высокого давления, обеспечивающего разгрузку от осевых сил, в полость насоса снижает его кавитационные характеристики, приводят к снижению общей экономичности системы питания двигателя;
- наличие тракта внешнего подвода жидкости высокого давления усложняет конструкцию двигателя, так как требует включения в состав двигателя отдельной магистрали подвода жидкого компонента высокого давления от основного турбонасосного агрегата к БТНА;
- усилие разгрузки подшипников от действия осевых сил определяется давлением подводимого компонента и диаметром уплотнения на разгрузочном диске, чем выше давление подводимого на разгрузку компонента топлива, чем больше диаметр уплотнения, тем большая мощность теряется на основном турбонасосном агрегате.
Известен БТНА ЖРД с осевым насосом, содержащий корпус и вал, на который установлено осевое колесо, зафиксированный и подвижный подшипники, зафиксированный подшипник размещен между осевыми упорами корпуса, со стороны подвижного подшипника, обращенной к осевому колесу насоса, выполнен упор, а между упором и подвижным подшипником установлена осевая пружина (Патент РФ 2299343 С1. Бустерный турбонасосный агрегат с осевым насосом. Опубликовано 20.05.2007, бюл. №14 - прототип).
Такой бустерный турбонасосный агрегат обладает следующими недостатками:
- совместно подшипники могут воспринимать усилие только в одном направлении, что не всегда реализуется на переходных режимах, в другом направлении усилие воспринимает только зафиксированный подшипник;
- на зафиксированный подшипник действует осевая сила, равная разнице осевого усилия на роторе и усилия осевой пружины;
- в таком БТНА отсутствует устройство разгрузки повышенного осевого усилия, возникающего при предварительной раскрутке ротора перед запуском ЖРД.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков бустерного турбонасосного агрегата ЖРД и повышение его ресурса и надежности за счет снижения осевой нагрузки, действующей на подшипники.
Технический эффект изобретения достигается тем, что в бустерном турбонасосном агрегате жидкостного ракетного двигателя, содержащем осевой насос, корпус и вал, на который установлены осевое колесо насоса и подшипники, согласно изобретению подшипники установлены между осевыми упорами корпуса, а между подшипниками установлена осевая пружина; кроме того со стороны, противоположной входу в осевой насос, установлен разгрузочный диск с уплотнением на его наружном диаметре, при этом полость с одной стороны разгрузочного диска сообщается с полостью высокого давления, например, за осевым колесом насоса, а полость с другой стороны разгрузочного диска соединена с полостью низкого давления, например, с полостью входа в осевое колесо насоса с помощью канала в валу; подшипники установлены между осевыми упорами корпуса, между подшипниками установлена осевая пружина, а со стороны, противоположной входу в осевой насос, установлен разгрузочный диск с уплотнением на его наружном диаметре, при этом полость с одной стороны разгрузочного диска сообщается с полостью высокого давления, например за осевым колесом насоса, а полость с другой стороны разгрузочного диска соединена с полостью низкого давления, например, с полостью входа в осевое колесо насоса с помощью канала в валу; также в полости за осевым колесом насоса на валу установлен дополнительный разгрузочный диск, а на торце корпуса со стороны диска выполнены лопатки (ребра); подшипники установлены между осевыми упорами корпуса, между подшипниками установлена осевая пружина, в полости за осевым колесом насоса на валу установлен дополнительный разгрузочный диск, а на торце корпуса со стороны дополнительного разгрузочного диска выполнены лопатки (ребра); со стороны, противоположной входу в осевой насос, установлен разгрузочный диск с уплотнением на его наружном диаметре, при этом полость с одной стороны разгрузочного диска сообщается с полостью высокого давления, например за осевым колесом насоса, а полость с другой стороны разгрузочного диска соединена с полостью низкого давления, например с полостью входа в осевое колесо насоса с помощью канала в валу, в полости за осевым колесом насоса на валу установлен дополнительный разгрузочный диск, а на торце корпуса со стороны дополнительного разгрузочного диска выполнены лопатки (ребра); подшипники установлены между осевыми упорами корпуса, между подшипниками установлена осевая пружина, а со стороны, противоположной входу в осевой насос, установлен разгрузочный диск с уплотнением на его наружном диаметре, при этом полость с одной стороны разгрузочного диска сообщается с полостью высокого давления, например за осевым колесом насоса, а полость с другой стороны разгрузочного диска соединена с полостью низкого давления, например, с полостью входа в осевое колесо насоса с помощью канала в валу, в полости за осевым колесом насоса на валу установлен дополнительный разгрузочный диск, а на торце корпуса со стороны дополнительного разгрузочного диска выполнены лопатки (ребра).
Для повышения осевого усилия, компенсирующего действующие на подшипники осевые силы:
- осевая пружина и разгрузочный диск могут быть использованы совместно;
- на торце разгрузочного диска со стороны осевого колеса насоса могут быть выполнены лопатки (ребра);
- на торце корпуса, примыкающем к разгрузочному диску со стороны противоположной осевому колесу насоса, могут быть выполнены лопатки (ребра);
- на торце разгрузочного диска со стороны осевого колеса насоса выполнены лопатки (ребра) и на торце корпуса, примыкающем к разгрузочному диску со стороны противоположной осевому колесу насоса, могут быть выполнены лопатки (ребра).
Продольный разрез предлагаемого бустерного турбонасосного агрегата ЖРД представлен на фиг. 1, на фиг. 2-8 - варианты бустерного турбонасосного агрегата, где
1 - корпус;
2 - вал;
3 - осевое колесо насоса;
4, 5 - подшипник;
6 - осевая пружина;
7 - выход насоса;
8 - полость за осевым колесом насоса;
9 - разгрузочный диск;
10 - уплотнение;
11 - каналы;
12 - канал в валу;
13 - лопатки на торце разгрузочного диска;
14 - лопатки па торце корпуса;
15 - дополнительный разгрузочный диск;
16 - лопатки на торце корпуса.
Бустерный турбонасосный агрегат (фиг. 1) состоит из корпуса 1, вала 2, на который с одной стороны установлено осевое колесо насоса 3, с другой подшипники 4 и 5, между которыми установлена осевая пружина 6, выхода из насоса 7. За осевым колесом насоса 3 расположена полость 8.
В варианте изобретения (фиг. 2) БТНА состоит из корпуса 1, вала 2, на который с одной стороны установлено осевое колесо насоса 3, с другой подшипники 4 и 5, выхода из насоса 7, за осевым колесом насоса 3 расположена полость 8. Со стороны противоположной осевому колесу насоса 3 на вал 2 установлен разгрузочный диск 9 с уплотнением 10 на его наружном диаметре. Полость с одной стороны разгрузочного диска сообщается с полостью высокого давления, например, с полостью за осевым колесом насоса 8. Указанная полость может дополнительно сообщаться каналами 11 с выходом насоса 7 или выходом из направляющего аппарата (фиг. 3), а полость с другой стороны разгрузочного диска соединена с полостью низкого давления, например, каналом 12 в валу 2 с входом в осевое колесо насоса. Для повышения разгружающей способности на торце разгрузочного диска 9 со стороны насоса могут быть выполнены лопатки (ребра) 13, с той же целью лопатки (ребра) 14 могут быть выполнены на торце корпуса с противоположной насосу стороны разгрузочного диска 9. Лопатки (ребра) 13 и 14 могут быть выполнены, как по отдельности, так и совместно.
В варианте изобретения для повышения разгружающей способности БТНА (фиг. 4) состоит из корпуса 1, вала 2, на который с одной стороны установлено осевое колесо насоса 3, с другой подшипники 4 и 5, между которыми установлена осевая пружина 6, выхода из насоса 7. За осевым колесом насоса 3 расположена полость 8, со стороны противоположной осевому колесу насоса 3 на вал 2 установлен разгрузочный диск 9 с уплотнением 10 на его наружном диаметре. Полость с одной стороны разгрузочного диска 9 сообщается с полостью высокого давления, например, с полостью за осевым колесом насоса 8. Указанная полость может дополнительно сообщаться каналами 11 с выходом насоса 7 или выходом из направляющего аппарата, а полость с другой стороны разгрузочного диска соединена с полостью низкого давления, например, каналом 12 в валу 2 с входом в осевое колесо насоса. Для повышения разгружающей способности на торце разгрузочного диска 9 со стороны насоса могут быть выполнены лопатки (ребра) 13, с той же целью лопатки (ребра) 14 могут быть выполнены на торце корпуса с противоположной насосу стороны разгрузочного диска 9. Лопатки (ребра) 13 и 14 могут быть выполнены, как по отдельности, так и совместно.
В варианте изобретения БТНА (фиг. 5) состоит из корпуса 1, вала 2, на который с одной стороны установлено осевое колесо насоса 3, с другой подшипники 4 и 5, выхода из насоса 7. За осевым колесом насоса 3 расположена полость 8, в которой расположены дополнительный разгрузочный диск 15 и лопатки 16, лопатки 16 выполнены на торце корпуса со стороны дополнительного разгрузочного диска 15.
В варианте изобретения для повышения разгружающей способности БТНА (фиг. 6) состоит из корпуса 1, вала 2, на который с одной стороны установлено осевое колесо насоса 3, с другой подшипники 4 и 5, между которыми установлена осевая пружина 6, выхода из насоса 7. За осевым колесом насоса 3 расположена полость 8, в которой расположены дополнительный разгрузочный диск 16 и лопатки 16, лопатки 16 выполнены на торце корпуса со стороны дополнительного разгрузочного диска 15.
В варианте изобретения для обеспечения высокой разгружающей способности БТНА (фиг. 7) состоит из корпуса 1, вала 2, на который с одной стороны установлено осевое колесо насоса 3, с другой подшипники 4 и 5, выхода из насоса 7. За осевым колесом насоса 3 расположена полость 8, а со стороны противоположной осевому колесу насоса 3 на вал 2 установлен разгрузочный диск 9 с уплотнением 10 на его наружном диаметре. Полость с одной стороны разгрузочного диска 9 сообщается с полостью высокого давления, например, с полостью за осевым колесом насоса 8. Указанная полость может дополнительно сообщаться каналами 11 с выходом насоса 7 или выходом из направляющего аппарата, а полость с другой стороны разгрузочного диска соединена с полостью низкого давления, например, каналом 12 в валу 2 с входом в осевое колесо насоса. Для повышения разгружающей способности на торце разгрузочного диска 9 со стороны насоса могут быть выполнены лопатки (ребра) 13, с той же целью лопатки (ребра) 14 могут быть выполнены на торце корпуса с противоположной насосу стороны разгрузочного диска 9. Лопатки (ребра) 13 и 14 могут быть выполнены, как по отдельности, так и совместно. В полости 8 расположены дополнительный разгрузочный диск 15 и лопатки 16, лопатки 16 выполнены на торце корпуса со стороны дополнительного разгрузочного диска 15.
В варианте изобретения для достижения максимальной разгружающей способности БТНА (фиг. 8) состоит из корпуса 1, вала 2, на который с одной стороны установлено осевое колесо насоса 3, с другой подшипники 4 и 5, между которыми установлена осевая пружина 6, выхода из насоса 7. За осевым колесом насоса 3 расположена полость 8, а со стороны противоположной осевому колесу насоса 3 на вал 2 установлен разгрузочный диск 9 с уплотнением 10 на его наружном диаметре. Полость с одной стороны разгрузочного диска 9 сообщается с полостью высокого давления, например, с полостью за осевым колесом насоса 8. Указанная полость может дополнительно сообщаться каналами 11 с выходом насоса 7 или выходом из направляющего аппарата, а полость с другой стороны разгрузочного диска соединена с полостью низкого давления, например, каналом 12 в валу 2 с входом в осевое колесо насоса. Для повышения разгружающей способности на торце разгрузочного диска 9 со стороны насоса могут быть выполнены лопатки (ребра) 13, с той же целью лопатки (ребра) 14 могут быть выполнены на торце корпуса с противоположной насосу стороны разгрузочного диска 9. Лопатки (ребра) 13 и 14 могут быть выполнены, как по отдельности, так и совместно. В полости 8 расположены дополнительный разгрузочный диск 15 и лопатки 16, лопатки 16 выполнены на торце корпуса со стороны дополнительного разгрузочного диска 15.
При работе БТНА (фиг. 1) рабочее тело насоса (жидкость) поступает на вход в корпус 1, при вращении вала 2, установленного на подшипниках 4 и 5, за счет вращения осевого колеса насоса 3 создается перепад давления между его входом и выходом, при этом давление в полости 8 за осевым колесом насоса больше давления на входе в корпус 1. Осевая пружина 6 распределяет осевое усилие, действующее на осевое колесо насоса 3, на оба подшипника 4 и 5, размещенных со стороны осевого колеса насоса 3 и со стороны выхода насоса 7. Благодаря этому обеспечивается величина осевого усилия, действующего на каждый подшипник, равная половине осевого усилия, действующего на осевое колесо насоса.
При работе варианта БТНА с разгрузочным диском 9 (фиг. 2) рабочее тело насоса (жидкость) поступает на вход в корпус 1, при вращении вала 2, установленного на подшипниках 4 и 5, за счет вращения осевого колеса насоса 3 создается перепад давления между его входом и выходом, при этом давление в полости 8 за осевым колесом насоса больше давления на входе в корпус 1. После осевого колеса насоса 3 и направляющего аппарата рабочее тело поступает на выход насоса 7. В полость разгрузочного диска 9 со стороны осевого колеса насоса 3 поступает рабочее тело насоса высокого давления, например, из полости 8 за осевым колесом насоса 3 или из полости за направляющим аппаратом со стороны выхода из насоса 7 через каналы 11 (фиг. 3). После разгрузочного диска 9 рабочее тело, для обеспечения перепада давления на разгрузочном диске, поступает в полость низкого давления, например, через канал 12 в валу на вход в осевое колесо насоса 3, где смешивается с основным потоком. Полости низкого и высокого давления разделены уплотнением 10. За счет разницы давления по обе стороны разгрузочного диска 9 создается осевое усилие на разгрузочном диске, компенсирующее осевое усилие, действующее от осевого колеса насоса. Площадь разгрузочного диска 9 и полость отвода утечек после него определяются величиной осевого усилия, требуемого для уравновешивания осевых сил, действующих на осевое колесо насоса 3. Для повышения разгружающей способности разгрузочного диска 9 за счет выравнивания эпюр давления на разгрузочном диске 9 при вращении вала 2 со стороны насоса могут быть выполнены лопатки (ребра) 13, лопатки (ребра) 14 могут быть выполнены на торце корпуса со стороны разгрузочного диска 9, противоположной входу в насос. Лопатки (ребра) 13 и 14 могут быть выполнены как по отдельности, так и одновременно в зависимости от распределения осевых сил в полостях БТНА. За счет компенсирующей осевой силы на разгрузочном диске 9 полностью или частично разгружается осевая сила, действующая на подшипники 4 и 5 со стороны осевого колеса насоса 3.
При работе БТНА, использующего одновременно осевую пружину 6 и разгрузочный диск 9 (фиг. 4) рабочее тело насоса (жидкость) поступает на вход в корпус 1, при вращении вала 2, установленного на подшипниках 4 и 5, за счет вращения осевого колеса насоса 3 создается перепад давления между его входом и выходом, при этом давление в полости 8 за осевым колесом насоса больше давления на входе в корпус 1. После осевого колеса насоса 3 и направляющего аппарата рабочее тело поступает на выход насоса 7. В полость разгрузочного диска 9 со стороны осевого колеса насоса 3 поступает рабочее тело насоса высокого давления, например, из полости 8 за осевым колесом насоса 3 или из полости за направляющим аппаратом со стороны выхода из насоса 7 через каналы 11. После разгрузочного диска 9 рабочее тело, для обеспечения перепада давления на разгрузочном диске, поступает в полость низкого давления, например, через канал в валу 12 на вход в осевое колесо насоса 3, где смешивается с основным потоком. Полости низкого и высокого давления разделены уплотнением К). За счет разницы давления по обе стороны разгрузочного диска 9 создается осевое усилие на разгрузочном диске, компенсирующее осевое усилие, действующее на подшипники, от осевого колеса насоса 3. Площадь разгрузочного диска 9 и полость отвода утечек после него определяются величиной осевого усилия, требуемого для уравновешивания осевых сил, действующих на осевое колесо насоса 3. Для повышения разгружающей способности разгрузочного диска 9 за счет выравнивания эпюр давления на разгрузочном диске при вращении вала 2 со стороны насоса могут быть выполнены лопатки (ребра) 13, лопатки (ребра) 14 могут быть выполнены на торце корпуса со стороны разгрузочного диска 9, противоположной входу в насос. Лопатки (ребра) 13 и 14 могут быть выполнены как по отдельности, так и одновременно в зависимости от распределения осевых сил в полостях БТНА. За счет компенсирующей осевой силы от разгрузочного диска 9 частично разгружается осевая сила, действующая на подшипники 4 и 5 со стороны осевого колеса насоса 3. Осевая пружина 6 распределяет осевое усилие, действующее на осевое колесо насоса 3 с учетом компенсирующей силы со стороны разгрузочного диска 9, на оба подшипника 4 и 5, размещенных со стороны осевого колеса насоса 3 и со стороны выхода насоса 7. Благодаря этому обеспечивается величина осевого усилия, действующего на каждый подшипник, равная половине осевого усилия, действующего на осевое колесо насоса 3 за вычетом осевой силы со стороны разгрузочного диска 9.
При использовании БТНА с дополнительным разгрузочным диском 15 (фиг. 5) рабочее тело насоса (жидкость) поступает на вход в корпус 1, при вращении вала 2, установленного на подшипниках 4 и 5, за счет вращения осевого колеса насоса 3 создается перепад давления между его входом и выходом, при этом давление в полости 8 за осевым колесом насоса больше давления на входе в корпус 1. После осевого колеса насоса 3 и направляющего аппарата рабочее тело поступает на выход насоса 7. При использовании дополнительного разгрузочного диска 15 за счет лопаток (ребер) 16 на корпусе компенсирующая осевая сила создается за счет исключения влияния закрученного потока, движущегося от периферии к центру дополнительного разгрузочного диска 15. За счет компенсирующей осевой силы полностью или частично разгружается осевая сила, действующая на подшипники 4 и 5 со стороны осевого колеса насоса 3.
При работе БТНА, использующего одновременно осевую пружину 6 и дополнительный разгрузочный диск 15 (фиг. 6) рабочее тело насоса (жидкость) поступает на вход в корпус 1, при вращении вала 2, установленного на подшипниках 4 и 5, за счет вращения осевого колеса насоса 3 создается перепад давления между его входом и выходом, при этом давление в полости 8 за осевым колесом насоса больше давления на входе в корпус 1. После осевого колеса насоса 3 и направляющего аппарата рабочее тело поступает на выход насоса 7. При наличии дополнительного разгрузочного диска 15 и лопаток (ребер) 16 на корпусе компенсирующая осевая сила создается за счет исключения влияния закрученного потока, движущегося от периферии к центру дополнительного разгрузочного диска 15. За счет компенсирующей осевой силы от дополнительного разгрузочного диска 15 частично разгружается осевая сила, действующая на подшипники 4 и 5 со стороны осевого колеса насоса 3. Осевая пружина 6 распределяет осевое усилие, действующее на осевое колесо насоса 3 с учетом компенсирующей силы со стороны дополнительного разгрузочного диска 15, на оба подшипника 4 и 5, размещенных со стороны осевого колеса насоса 3 и со стороны выхода насоса 7. Благодаря этому обеспечивается величина осевого усилия, действующего на каждый подшипник, равная половине осевого усилия, действующего на осевое колесо насоса 3 за вычетом осевой силы со стороны дополнительного разгрузочного диска 15.
При работе варианта БТНА с разгрузочным диском 9 и дополнительным разгрузочным диском 15 (фиг. 7) рабочее тело насоса (жидкость) поступает на вход в корпус 1, при вращении вала 2, установленного на подшипниках 4 и 5, за счет вращения осевого колеса насоса 3 создается перепад давления между его входом и выходом, при этом давление в полости 8 за осевым колесом насоса больше давления на входе в корпус 1. После осевого колеса насоса 3 и направляющего аппарата рабочее тело поступает на выход насоса 7. В полость разгрузочного диска 9 со стороны осевого колеса насоса 3 поступает рабочее тело насоса высокого давления, например, из полости 8 за осевым колесом насоса 3 или из полости за направляющим аппаратом со стороны выхода из насоса 7 через каналы 11. После разгрузочного диска рабочее тело, для обеспечения перепада давления на разгрузочном диске, поступает в полость низкого давления, например, через канал 12 в валу на вход в осевое колесо насоса 3, где смешивается с основным потоком. Полости низкого и высокого давления разделены уплотнением 10. За счет разницы давления по обе стороны разгрузочного диска создается осевое усилие на разгрузочном диске 9, компенсирующее осевое усилие на подшипники, действующее от осевого колеса насоса 3. Площадь разгрузочного диска 9 и полость отвода утечек после него определяются величиной осевого усилия, требуемого для уравновешивания осевых сил, действующих на осевое колесо насоса 3. Для повышения разгружающей способности разгрузочного диска 9 за счет выравнивания эпюр давления на разгрузочном диске при вращении вала 2 со стороны насоса могут быть выполнены лопатки (ребра) 13, лопатки (ребра) 14 могут быть выполнены на торце корпусе со стороны разгрузочного диска, противоположной входу в насос. Лопатки (ребра) 13 и 14 могут быть выполнены как по отдельности, так и одновременно в зависимости от распределения осевых сил в полостях БТНА. Осевая сила, неразгруженная разгрузочным диском 9, компенсируется или доводится до приемлемого для работоспособности подшипников 4 и 5 уровня за счет использования дополнительного разгрузочного диска 15 и лопаток (ребер) 16 на корпусе. Компенсирующая осевая сила от дополнительного разгрузочного диска 15 создается за счет исключения влияния закрученного потока жидкости, движущегося от периферии к центру дополнительного разгрузочного диска 15. За счет компенсирующей осевой силы на разгрузочном диске 9 и дополнительном разгрузочном диске 15 полностью или частично разгружается осевая сила, действующая на подшипники 4 и 5 со стороны осевого колеса насоса 3.
При работе БТНА, использующего одновременно осевую пружину 6, разгрузочный диск 9 и дополнительный разгрузочный диск 15 (фиг. 8) рабочее тело насоса (жидкость) поступает на вход в корпус 1, при вращении вала 2, установленного на подшипниках 4 и 5, за счет вращения осевого колеса насоса 3 создается перепад давления между его входом и выходом, при этом давление в полости 8 за осевым колесом насоса больше давления на входе в корпус 1. После осевого колеса насоса 3 и направляющего аппарата рабочее тело поступает на выход насоса 7. В полость разгрузочного диска 9 со стороны осевого колеса насоса 3 поступает рабочее тело насоса высокого давления, например, из полости 8 за осевым колесом насоса 3 или из полости за направляющим аппаратом со стороны выхода из насоса 7 через каналы 11. После разгрузочного диска 9 рабочее тело, для обеспечения перепада давления на разгрузочном диске, поступает в полость низкого давления, например, через канал в валу 12 на вход в осевое колесо насоса 3, где смешивается с основным потоком. Полости низкого и высокого давления разделены уплотнением 10. За счет разницы давления по обе стороны разгрузочного диска создается осевое усилие на разгрузочном диске 9, компенсирующее осевое усилие, действующее на подшипники от осевого колеса насоса 3. Площадь разгрузочного диска 9 и полость отвода утечек после него определяются величиной осевого усилия, требуемого для уравновешивания осевых сил, действующих на осевое колесо насоса 3. Для повышения разгружающей способности разгрузочного диска 9 за счет выравнивания эпюр давления на разгрузочном диске при вращении вала 2 со стороны насоса могут быть выполнены лопатки (ребра) 13, лопатки (ребра) 14 могут быть выполнены на горце корпуса 14 со стороны разгрузочного диска 9, противоположной входу в насос. Лопатки (ребра) 13 и 14 могут быть выполнены как по отдельности, так и одновременно в зависимости от распределения осевых сил в полостях БТНА. Осевая сила, некомпенсированная разгрузочным диском 9, доводится до приемлемого для работоспособности подшипников 4 и 5 уровня за счет использования дополнительного разгрузочного диска 15 и лопаток (ребер) 16 на корпусе. Компенсирующая осевая сила от дополнительного разгрузочного диска 15 создается за счет исключения влияния закрученного потока жидкости, движущегося от периферии к центру дополнительного разгрузочного диска 15. За счет компенсирующей осевой силы от разгрузочного диска 9 и дополнительного разгрузочного диска 15 частично разгружается осевая сила, действующая на подшипники 4 и 5 со стороны осевого колеса насоса 3. Осевая пружина 6 распределяет осевое усилие, действующее на осевое колесо насоса 3 с учетом компенсирующей силы со стороны разгрузочного диска 9 и дополнительного разгрузочного диска 15, на оба подшипника 4 и 5, размещенных со стороны осевого колеса насоса 3 и со стороны выхода насоса 7. Благодаря этому обеспечивается величина осевого усилия, действующего на каждый подшипник, равная половине осевого усилия, действующего на осевое колесо насоса 3 за вычетом осевой силы со стороны разгрузочного диска 9 и дополнительного разгрузочного диска 15.
В отличие от прототипа, где разгрузка подшипников от действия осевых сил обеспечивается, в основном, за счет осевой пружины в предлагаемом бустерном турбонасосном агрегате:
- обеспечивается равномерное распределение усилия между подшипниками;
- осевая разгрузка подшипников осуществляется за счет организации рабочего процесса внутри агрегата;
- усилие разгрузки подшипников от действия осевых сил обеспечивается выбором диаметра разгрузочного диска;
- дополнительно осевое усилие может быть скомпенсировано применением разгрузочного диска с уплотнением на его наружном диаметре в сочетании с ребрами (лопатками) на торце разгрузочного диска и в корпусе и/или применением дополнительного разгрузочного диска в сочетании с ребрами (лопатками) на торце корпуса.
Таким образом, в предлагаемом бустерном турбонасосном агрегате ЖРД обеспечивается повышение долговечности подшипников и ресурс бустерного турбонасосного агрегата за счет компенсации и равномерного распределения усилия при работе агрегата. В таком БТНА осевое усилие, действующее на осевое колесо насоса, на основной и дополнительный разгрузочный диски, определяются давлением, создаваемым насосом. Благодаря этому не происходит разбалансировка осевых усилий при работе агрегата на различных режимах, включая и режим предварительной раскрутки ротора перед запуском ЖРД. Такая схема разгрузки подшипников от действия осевых сил может использоваться для бустерных турбонасосных агрегатов, приводимых как гидравлической, так и газовой турбиной.