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, МПК6 F04D 13/04, опубл. 10.03.98 г., прототип. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, крыльчатку и шнек, установленные на валу. Шнек улучшает кавитационные свойства 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 насосов окислителя, горючего и дополнительного насоса горючего, отличающийся тем, что турбина выполнена двухступенчатой с двумя рабочими колесами: первым и вторым, установленными соответственно на внешнем, внутреннем валах, насосы окислителя и горючего выполнены со шнеками, установленными перед центробежными рабочими колесами, при этом внешний вал соединен со всеми центробежными рабочими колесами, а промежуточный вал соединен через магнитные муфты со щнеками, насосы горючего и дополнительный насос горючего соединены трубопроводом. Рабочее колесо второй ступени турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо первой ступени. 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 на фиг.1 и 2, где
- на фиг.1 приведен чертеж турбонасосного агрегата,
- на фиг.2 приведен разрез А-А.
Турбонасосный агрегат (фиг.1 и 2) 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, работающий на кислом газе (с избытком окислителя). Далее расположены насос горючего 3 и дополнительный насос горючего 4. Турбина 1 выполнена двухступенчатой и содержит рабочие колеса первой ступени 5, второй ступени 6, соответственно с рабочими лопатками 7 и 8. Кроме того, турбина 1 содержит два сопловых аппарата 9 и 10, установленные соответственно перед рабочими лопатками 7 и 8 двух ступеней турбины. 1. Турбина 1 содержит передний корпус 11 и задний корпус 12. К переднему корпусу 11 подстыкован входной патрубок 13 с входной полостью 14, а к заднему корпусу 12 подстыкован выходной патрубок 15 с выходной полостью 16. Между ступенями турбины 1 установлена диафрагма 17. На торцах рабочих колес турбин 5 и 6 выполнены кольцевые уплотнения 18 и 19, под которыми сформированы разгрузочные полости 20 и 21. К корпусу 11 подстыкован соединительный корпус 22. ТНА содержит два вала: внешний 23 и внутренний 24. Рабочее колесо первой ступени 5 установлено на внешнем валу 23, рабочее колесо второй ступени 6 установлено на внутреннем валу 24.
Насос окислителя 2 выполнен центробежным и содержит центробежное рабочее колесо 25, имеющее ступицу 26 и первый шнек 27, установленные в корпусе 28, к которому подстыкован входной корпус 29 с входной полостью 30 и выходной корпус 31 с выходной полостью 32. На торце центробежного рабочего колеса 25 выполнено заднее уплотнение 33, под которым сформирована разгрузочная полость 34.
Насос горючего 3 также выполнен центробежным и имеет аналогичную конструкцию, и содержит центробежное рабочее колесо 35, имеющее ступицу 36 и второй шнек 37, установленные в корпусе 38, к которому подстыкован входной корпус 39 с входной полостью 40 и выходной корпус 41 с выходной полостью 42. На торце центробежного рабочего колеса 35 выполнено заднее уплотнение 43, под которым сформирована разгрузочная полость 44.
Дополнительный насос горючего 4 также выполнен центробежным и имеет также аналогичную конструкцию, но не содержит шнека. Дополнительный насос горючего 4 содержит центробежное рабочее колесо 45, имеющее ступицу 46, установленные в корпусе 47, к которому подстыкован входной корпус 48 с входной полостью 49 и выходной корпус 50 с выходной полостью 51. На торце центробежного рабочего колеса 45 выполнено заднее уплотнение 52, под которым сформирована разгрузочная полость 53. Центробежное рабочее колесо 45 крепится к внешнему валу 23 конической гайкой 54. Шнеки 27 и 37 связаны с внутренним валом 24 через магнитные муфты 55 (фиг.1 и 2). Конструкция магнитных муфт приведена на фиг.2. Магнитные муфты 55 содержат ведущую и ведомые полумуфты, соответственно 56 и 57, с постоянными магнитами 58.
Трубка 59 соединяет выход из насоса горючего 3 с входом в дополнительный насос горючего 4.
В ступицах 26 и 36 центробежных рабочих колес 25 и 35 выполнены внутренние полости 60 и отверстия 61. Эти отверстия 61 соединяют внутренние полости 60 с полостями центробежных рабочих колес 25 и 35 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежных рабочих колес 25 и 35.
Первое и второе центробежные рабочие колеса 25 и 35 установлены на внешнем валу 23, который установлен в подшипниках 62, первый шнек 27 и 37 также установлены на внешнем валу 23 с возможностью проворота. Внутренний вал 24 установлен на подшипниках 63.
Внешний вал 23 уплотнен уплотнениями 64, а внутренний вал 24 уплотнен уплотнениями 65.
Между уплотнениями 64 и 65 образованы каналы 66 для подвода перекачиваемого продукта для смазки.
Рабочее колесо второй ступени 6 турбины 1 имеет меньший диаметр, чем рабочие колеса первой ступени 5 турбины 1. Это необходимо для того, чтобы вторая ступень 6 турбины 1 получилась меньшей мощности, чем другие ступени, потому, что она имеет малую нагрузку 30…40% от всей мощности турбины 1, достаточную для привода шнеков 27 и 37.
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 13 внутрь двухступенчатой турбины 1 и проходит через сопловые аппараты 9 и 10 рабочие лопатки 7 и 8. Внутри центробежных рабочих колес 25 и 35 и на выходе из них, т.е. в полостях 32 и 42 повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5…7%) через задние уплотнения 33 и 53 поступает в разгрузочные полости 34 и 44 и далее на смазку соответствующих подшипников. Этот расход перекачиваемого продукта возвращается внутрь центробежных рабочих колес 25 и 35.
Так как шнеки 27 и 37 вращаются с угловой скоростью, в 1,5…2 раза меньшей, чем центробежные рабочие колеса 25 и 35, поэтому исключается кавитация на входе в насос окислителя 2 и насос горючего 3. Из-за пониженных оборотов самих шнеков 27 и 37 кавитация на их входных кромках также исключается.
При работе ТНА в разгрузочных полостях 34,44 и 53 центробежных насосов 2, 3 и 4 и в разгрузочных полостях 20 и 21 турбины 1 возникает пониженное давление перекачиваемого продукта и газа соответственно. Это способствует уменьшению осевых сил, действующих на внешний вал 23 и внутренний вал 24.
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.