НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ЖРД
LPRE PUMP UNIT

Изобретение относится к конструкции насосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и может быть использовано в авиационной и ракетной технике.
Одним из направлений совершенствовавания современных ЖРД является уменьшение веса баков и системы их наддува, реализуемое за счет снижения давления компонентов топлива на входе в насосы практически до давления насыщенных паров. Снижение массы насосного агрегата и камеры сгорания может быть достигнуто также путем повышения числа оборотов насосного агрегата. Повышению оборотов насосов препятствуют низкие входные давления и ограниченные кавитационные свойства насосов. Для повышения входных давлений в основные насосы применяются бустерные насосы. Традиционно привод бустерных насосов осуществляется гидро- и газовыми турбинами. Анализ процесса запуска ЖРД показывает, что особенностью системы питания с турбошнековыми бустерными насосами является инерционное отставание нарастания частоты вращения ротора бустерного насоса от нарастания частоты вращения ротора основного насосного агрегата в процессе запуска ЖРД. При низких давлениях компонента топлива на входе в двигатель для обеспечения бессрывной работы насосов может потребоваться применение специальных автономных устройств для предварительной раскрутки бустерных насосов, что усложнит конструкцию двигателя. Инерционное отставание совершенно недопустимо в случае «пушечного» выхода на режим двигателя. Этот недостаток устраняется применением для привода бустеров шестеренчатого редуктора.
Известны редукторные схемы насосных агрегатов, в которых редукторы работают в среде рабочей жидкости, например водорода (двигатель RL 10A-1 (США)) или высококипящего горючего - основного компонента топлива. Это последнее решение, взятое за прототип изобретения, представлено на Рис. 7, стр. 78 научно-технического журнала «Космонавтика и ракетостроение», вып. 3(28), ЦНИИМАШ, 2002 г., в статье «Исследование и разработка турбонасосных агрегатов в КБ химического машиностроения им. A.M. Исаева».
Насосный агрегат по прототипу представлен на фиг.1, прилагаемом к заявке, и содержит бустерный насос 1, откачивающий насос 2, центробежный насос 3, оси 4 и 5 рабочих колес 6 и 7 которых механически связаны через шестеренчатый редуктор 8. Полость 9 редуктора гидравлически сообщена для охлаждения с внутренними полостями 10 и 11 насосов и имеет сливной трубопровод 12, при этом выходной патрубок 13 бустерного насоса 1 соединен с входным патрубком 14 центробежного насоса 3, а сливной трубопровод 12 соединен со входом в откачивающий насос 2.
Недостатком насосного агрегата по прототипу является значительный подогрев охлаждающей жидкости в редукторе, что приводит к снижению всасывающей способности центробежного насоса и потерям мощности редуктора. Наличие откачивающего насоса усложняет конструкцию насосного агрегата.
Настоящее изобретение направлено на повышение кавитационной устойчивости центробежного насоса, повышение КПД редуктора и упрощение конструкции насосного агрегата.
Поставленная задача решается путем организации эффективного охлаждения редуктора, сброса «горячей» охлаждающей жидкости на вход бустерного насоса и исключения откачивающего насоса из состава насосного агрегата.
Для этого в насосном агрегате, содержащем бустерный и центробежный насосы, валы рабочих колес которых механически связаны через шестеренчатый редуктор, а полость редуктора для охлаждения гидравлически сообщена с внутренними полостями насосов и имеет сливной трубопровод, при этом выходной патрубок бустерного насоса соединен с входным патрубком центробежного насоса, в отличие от прототипа редуктор снабжен кожухом, охватывающим корпус редуктора и образующим с ним периферийную полость, в корпусе редуктора выполнены отверстия для выхода охлаждающей жидкости из полости редуктора в периферийную полость, а сливной трубопровод подсоединен своими концами к кожуху редуктора и входному патрубку бустерного насоса.
Такое исполнение насосного агрегата ЖРД
- позволяет повысить КПД редуктора до более 90% за счет уменьшения трения зубчатых колес об охлаждающую жидкость и уменьшения потерь при столкновении потоков охлаждающей жидкости разного направления,
- гидравлическое соединение периферийной полости редуктора с входным патрубком бустерного насоса устраняет попадание «горячей» охлаждающей жидкости на вход в центробежный насос, т.е. повышает кавитационную устойчивость насоса за счет снижения давления насыщенных паров,
- исключает из конструкции насосного агрегата откачивающий насос, что упрощает его конструкцию и повышает надежность агрегата.
Сущность изобретения поясняется графическими изображениями, где на фиг.1 представлен продольный разрез насосного агрегата по прототипу, на фиг.2 представлен продольный разрез заявляемого насосного агрегата, а на фиг.3 - сечение по А-А.
Насосный агрегат ЖРД включает в себя бустерный насос 1 и центробежный насос 3, оси 4 и 5 рабочих колес 6 и 7 которых механически связаны через шестеренчатый редуктор 8. Полость 9 редуктора гидравлически сообщена для охлаждения с внутренними полостями 10 и 11 насосов и имеет сливной трубопровод 12. Выходной патрубок 13 бустерного насоса соединен с входным патрубком 14 центробежного насоса.
В отличие от известного насосного агрегата по прототипу редуктор 8 снабжен кожухом 15, охватывающим корпус редуктора и образующим с ним периферийную полость 16, в корпусе редуктора 8 выполнены отверстия 17 для выхода охлаждающей жидкости из полости 9 редуктора в периферийную полость 16, а сливной трубопровод 12 подсоединен своими концами к кожуху 15 редуктора и входному патрубку 18 бустерного насоса, гидравлически сообщая периферийную полость 16 редуктора и полость 19 входного патрубка 18 бустерного насоса.
Работа насосного агрегата заключается в следующем. Вращение от ведущей оси 5 передается благодаря зубчатым передачам редуктора на ведомую ось 4 бустерного насоса 1. Рабочая жидкость из внутренних полостей 10 бустера 6 и 11 центробежного насоса 3 через щелевые зазоры поступает во внутреннюю полость 9 редуктора 8, охлаждает зубчатые колеса в зоне эвольвентного зацепления и через отверстия 17 в корпусе редуктора 8 поступает в периферийную полость 16 кожуха 15. Далее из периферийной полости 16 охлаждающая жидкость через отверстия 17 в корпусе редуктора 8 и сливной трубопровод 12 поступает в полость 19 входного патрубка 18 бустерного насоса, где смешивается с основным потоком рабочей жидкости. При этом подогрев рабочей жидкости незначителен, т.к. расход охлаждающей жидкости через редуктор в 15-20 раз меньше расхода через центробежный насос. Следует отметить, что площадь сливного трубопровода 12 и площадь отверстий 17 в корпусе редуктора на порядок больше площади щелевых зазоров между внутренней полостью редуктора и внутренними полостями бустерного насоса и центробежного насоса. Такое соотношение площадей позволяет реализовать минимальный перепад давления на сливном трубопроводе 12 и отверстиях 17, вследствие чего внутри корпуса редуктора устанавливается давление, практически равное входному давлению в бустерный насос без участия откачивающего насоса. Такая организация охлаждения этого агрегата позволяет ему работать в режиме редуктора, а не в режиме шестеренчатого насоса, что и позволило получить КПД редуктора, работающего без смазки и охлаждения минеральным маслом, практически равным КПД редуктора, работающего на масле.
Заявляемая совокупность признаков реализует новый технический результат - полностью устраняет влияние «горячих» утечек из внутренней полости редуктора на кавитационную устойчивость основного центробежного насоса, повышает КПД редуктора и упрощает конструкцию насосного агрегата ЖРД за счет устранения одного элемента конструкции - откачивающего насоса.