ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
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, опубл. 10.03.98. 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 №2232300 С2, прототип. Этот ТНА содержит корпуса, центробежный насос, содержащий, в свою очередь, два шнека и два центробежных рабочих колеса со ступицами, установленные на валах в подшипниках, защищенных уплотнениями, и турбины, установленные в корпусе с входным и выхлопным патрубками и включающие сопловые аппараты и рабочие колеса, внешний и внутренний валы.
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 в турбонасосном агрегате, содержащем корпуса, два шнека и два центробежных рабочих колеса со ступицами, установленные на валах в подшипниках, защищенных уплотнениями, и турбины, установленные в корпусе с входным и выхлопным патрубками и включающие сопловые аппараты и рабочие колеса, внешний и внутренний валы, тем, что согласно изобретению между внешним и внутренним валом установлен промежуточный вал, применено три турбины, все турбины являются газовыми, рабочее колесо первой турбины установлено на внешнем валу, рабочее колесо второй турбины установлено на промежуточном валу, рабочее колесо третьей турбины установлено на внутреннем валу, первое центробежное рабочее колесо установлено ближе к турбине на внешнем валу, первый шнек и второе центробежное рабочее колесо установлены на промежуточном валу, второй шнек установлен на внутреннем валу. Рабочее колесо третьей турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочие колеса первой турбины и второй турбины, и установлено в задней полости, выполненной внутри корпуса турбины в его центральной части, а канал подвода газа к третьей турбине выполнен в виде, по меньшей мере, одной трубки, соединяющей полость входного патрубка турбины с полостью перед третьей турбиной, а канал отвода газа выполнен в виде кольцевой щели, соединяющий заднюю полость турбины с выхлопным патрубком 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 на фиг., где приведен чертеж турбонасосного агрегата.
Турбонасосный агрегат (чертеж) содержит турбины 1 и два центробежных насоса: первый и второй, соответственно, 2 и 3. Первый центробежный насос 2 расположен ближе к турбинам 1. Турбин 1 выполнено три, и они содержат рабочее колесо первой турбины 4, рабочее колесо второй турбины 5 и рабочее колесо третьей турбины 6, соответственно, с рабочими лопатками 7, 8 и 9. Кроме того, турбины 1 содержат три сопловых аппарата 10, 11 и 12, установленные, соответственно, перед рабочими лопатками 7, 8 и 9 трех турбин 1. Рабочее колесо третьей турбины 6 и сопловой аппарат 11 установлены в задней полости, ограниченной цилиндрической оболочкой 13. Кроме того, турбина 1 содержит передний корпус 14 и задний корпус 15. К переднему корпусу 14 подстыкован входной патрубок 16 с входной полостью 17, а к заднему корпусу 15 подстыкован выходной патрубок 18 с выходной полостью 19. Между ступенями турбины 1 установлены диафрагмы 20 и 21. На торцах рабочих колес трех турбин 4, 5 и 6 выполнены кольцевые уплотнения 22, 23 и 24, под которыми сформированы разгрузочные полости 25, 26 и 27. ТНА содержит три вала: внешний 28, промежуточный 29 и внутренний 30. Рабочее колесо первой турбины 4 установлено на внешнем валу 28, рабочее колесо второй турбины 5 установлено на промежуточном валу 29 и рабочее колесо третьей турбины 6 установлено на внутреннем валу 30.
Первый центробежный насос 2 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.
Второй центробежный насос 3 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.
В ступицах 32 и 42 центробежных рабочих колес 31 и 41 выполнены внутренние полости 51 и отверстия 52. Эти отверстия 52 соединяют внутренние полости 51 с полостями центробежных рабочих колес 31 и 41 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежных рабочих колес 31 и 41.
Первое центробежное рабочее колесо 31 установлено на внешнем валу 28, который установлен в подшипниках 53, первый шнек 33 и второе центробежное рабочее колесо 41 установлены на промежуточном валу 29, который установлен на подшипниках 54, а второй шнек 43 установлен на внутреннем валу 30, который установлен в подшипниках 55. Внешний вал 28 уплотнен уплотнениями 56, промежуточный вал 29 уплотнен уплотнениями 57, а внутренний вал 30 уплотнен уплотнениями 58.
Между уплотнениями 56…58 образованы каналы 59 для подвода перекачиваемого продукта для смазки. Подвод газа к рабочему колесу третьей турбины 6 выполнен при помощи, по меньшей мере, одной трубки 60.
Рабочее колесо третьей турбины 6 имеет меньший диаметр, чем рабочие колеса первой и второй турбин, соответственно, 4 и 5. Это необходимо для того, чтобы третья турбина получилась меньшей мощности, чем другие турбины, потому что она имеет самую малую нагрузку 5…10% от всей мощности турбин 1, достаточную для привода второго шнека 43.
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 16 внутрь турбины 1 и проходит через сопловые аппараты 7, 8 и 9 и рабочие лопатки 11, 12 и 13. Незначительная часть общего расхода перекачиваемого продукта (10…15%) поступает по каналам 59. Внутри центробежных рабочих колес 31 и 42 и на выходе из них, т.е. в полостях 38 и 48, повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5…7%) через задние уплотнения 39 и 49 поступает в разгрузочные полости 40 и 50 и далее на смазку соответствующих подшипников. Этот расход перекачиваемого продукта возвращается внутрь центробежных рабочих колес 31 и 41.
Так как первый 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… раза меньшей, чем второй центробежное колесо 42, то предотвращается кавитация на входе в оба насоса. Из-за пониженных оборотов самих шнеков 33 и 43 кавитация на их входных кромках также исключается.
При работе ТНА в разгрузочных полостях 40 и 50 центробежных насосов 2 и 3 и в разгрузочных полостях 25, 26 и 27 турбин 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:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства двух насосов, например, насосов окислителя и горючего в ТНА, предназначенном для ЖРД, за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека.
2. Обеспечить разгрузку осевых сил внутреннего и внешнего валов.
3. Спроектировать насосы очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых по прочности.
4. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе.
5. Создать турбонасосный агрегат с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности двух насосов, за счет уменьшения диаметра турбин при выполнении трех турбин.