ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
TURBO-PUMP 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 ТНА ЖРД одним из ключевых моментов создания агрегата является обеспечение разгрузки опор ротора от действия осевых сил, так как в насосах и турбинах ТНА осевые силы могут достигать нескольких десятков кН. Для разгрузки от осевых сил используются автоматические разгрузочные устройства. Конструкция устройств осевой разгрузки роторов может быть различной. Наиболее часто применяется конструкция автоматического разгрузочного устройства с разгрузочным поршнем, совмещенным с основным диском крыльчатки и ограниченным радиальным нерегулируемым уплотнением в периферийной части крыльчатки и автоматически регулирующей осевой щелью у ступицы крыльчатки. Полость после регулирующей осевой щели соединена с входной полостью крыльчатки разгрузочными отверстиями, выполненными в ступице основного диска крыльчатки.
Известна конструкция турбонасосного агрегата, состоящего из двух насосов - окислителя и горючего, валы которых соединены шлицевой рессорой или муфтой, и турбины, установленной на валу одного из насосов, в каждом из насосов выполнено автоматическое разгрузочное устройство (Дмитренко А.И. Развитие конструкции турбонасосных агрегатов ЖРД, разработанных в КБХА // Научно-технический юбилейный сборник. КБ химавтоматики - ИПФ Воронеж, 2001. - С.308-314 - прототип).
Указанная конструкция турбонасосного агрегата с устройствами автоматической разгрузки в каждом насосе является типовой для ТНА ЖРД с дожиганием. Недостатком такой конструкции является наличие повышенных утечек рабочей жидкости в автоматических разгрузочных устройствах, снижающих экономичность каждого из насосов, что ведет к снижению суммарной экономичности турбонасосного агрегата. Кроме того, утечки рабочей жидкости, поступающие через разгрузочные отверстия во входную полость крыльчатки, ухудшают антикавитационные качества насоса.
Настоящее изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия турбонасосного агрегата и улучшение антикавитационных качеств насоса.
Технический эффект достигается тем, что в турбонасосном агрегате, содержащем насосы окислителя и горючего с соединенными с применением шлицевого соединения валами и установленными на валах крыльчатками насосов, закрепленное на одном из валов колесо турбины, совмещенный с основным диском крыльчатки одного из насосов разгрузочный поршень автоматического разгрузочного устройства, ограниченный радиальным уплотнением в периферийной части основного диска и регулирующей осевой щелью у ступицы крыльчатки, шарикоподшипник этого насоса с наружным кольцом, установленным в корпусе с осевым зазором, шарикоподшипник второго насоса с осевым упором, размещенным в корпусе с зазором по торцу наружного кольца шарикоподшипника, согласно изобретению вал одного насоса опорным торцом опирается на опорный торец вала второго насоса, при этом зазоры по торцам осевого упора наружного кольца шарикоподшипника насоса без автоматического разгрузочного устройства выполнены больше величины соответствующих осевых зазоров по торцам наружного кольца шарикоподшипника насоса с автоматическим разгрузочным устройством. Между опорными торцами валов может быть установлена шлицевая рессора. Для обеспечения дополнительного прижатия валов опорных торцов валов наружные кольца шарикоподшипников, ограничивающих осевое перемещение роторов насосов, опираются на упругие кольца.
На фиг.1 показан общий вид, на фиг.2, 3 - варианты предлагаемого турбонасосного агрегата, где:
1 - насос окислителя;
2 - насос горючего, упругий элемент;
3 - вал насоса окислителя;
4 - вал насоса горючего;
5 - шлицевое соединение между валами;
6 - крыльчатка насоса окислителя;
7 - крыльчатка насоса горючего;
8 - колесо турбины;
9 - основной диск крыльчатки насоса горючего;
10 - разгрузочная полость автоматического разгрузочного устройства;
11 - радиальное уплотнение в периферийной части основного диска;
12 - регулирующая осевая щель автоматического разгрузочного устройства;
13 - разгрузочные отверстия в основном диске крыльчатки;
14, 15 - шарикоподшипник;
16, 17 - наружное кольцо шарикоподшипника;
18, 19 - переднее уплотнение крыльчатки;
20, 22 - контактный торец рессоры;
21 - рессора;
23, 26 - пружина;
24, 25 - втулка.
1
2
3
4
1
3
2
4
5
6
7
8
5
7
6
8
Турбонасосный агрегат (фиг.1) состоит из насоса окислителя 1, насоса горючего 2, турбины 8, установленной на валу одного из насосов. На валах насосов установлены крыльчатки 6 и 7. Со стороны входа в рабочие колеса насосов полости высокого давления отделены от полостей низкого давления передними уплотнениями 18 и 19. Крутящий момент от вала насоса окислителя 3 к валу насоса горючего 4 передается с помощью шлицевого соединения, например шлицевой муфты 5, при этом валы насосов опираются друг на друга по опорным торцам 20. Вместо шлицевой муфты для передачи крутящего момента может быть использована шлицевая рессора 21 (фиг.2). В этом случае имеется два опорных торца 22 - между валами насосов и рессорой. На валу насоса горючего выполнено автоматическое разгрузочное устройство, разгрузочный поршень которого совмещен с основным диском крыльчатки 9, разгрузочная полость 10 которого ограничена радиальным уплотнением в периферийной части основного диска 11 и регулирующей осевой щелью 12. Уплотнение 11 отделяет разгрузочную полость 10 от полости высокого давления, а осевая щель 12 - от сливной полости, соединенной с помощью разгрузочных отверстий в основном диске крыльчатки 13 с входом в насос (полостью низкого давления). Шарикоподшипник насоса окислителя, ограничивающий осевое перемещение ротора, установлен в корпус с зазорами δ и δ по торцам наружного кольца. Шарикоподшипник насоса горючего, ограничивающий осевое перемещение ротора, установлен в корпус с зазорами δ и δ по торцам наружного кольца. При сборке агрегата должны выполняться условия δ>δ и δ>δ, обеспечивающие автоматическому разгрузочному устройству возможность работать для осевой разгрузки роторов обоих насосов. В варианте, приведенном на фиг.3, в опорах ротора установлены осевые пружины 23, 26, усилие которых направлено на создание контакта между валами до запуска турбонасосного агрегата, пружины опираются на втулки 24, 25, которые могут служить ограничителями осевого перемещения роторов насосов. При этом по торцам наружного кольца шарикоподшипника насоса окислителя, ограничивающего осевое перемещение ротора, выполнены зазоры δ и δ. По торцам наружного кольца шарикоподшипника насоса горючего, ограничивающего осевое перемещение ротора, выполнены зазоры δ и δ. При сборке агрегата с пружинами в опорах должны выполняться условия δ>δ и δ>δ, обеспечивающие автоматическому разгрузочному устройству возможность работать для осевой разгрузки роторов обоих насосов. Кроме того, установка пружин позволяет устранить зазоры в шарикоподшипниках и повысить их долговечность.
1
3
2
4
До начала работы турбонасосного агрегата, выполненного согласно фиг.1, роторы насосов могут находиться в произвольном положении без упора по торцу валов или рессоры. При начале работы агрегата за счет выбора диаметров уплотнений ротора, исключения заднего уплотнения крыльчатки одного из насосов и автоматического разгрузочного устройства ротора одного из насосов происходит смещение роторов по направлению друг к другу, при этом в процессе работы обеспечивается постоянный контакт между валами непосредственно или через шлицевую рессору. Компенсация неразгруженных осевых сил на роторах осуществляется одним автоматическим разгрузочным устройством. Условия δ>δ и δ>δ должны сохраняться на всех режимах работы, в том числе с учетом силовых и температурных деформаций конструкции. В процессе функционирования автоматического разгрузочного устройства утечки компонента из разгрузочной полости через разгрузочные отверстия в основном диске крыльчатки поступают во входную часть крыльчатки, снижая энергетические и кавитационные характеристики насоса, особенно на криогенных компонентах (поток после разгрузочных отверстий имеет более высокую температуру, попадая в основной более холодный поток, он не успевает с ним перемешиваться, в результате повышается локальная температура рабочего тела, что вызывает локальное повышение температуры насыщенных паров и раннее зарождение кавитационной каверны). Так как в предлагаемом турбонасосном агрегате автоматическое устройство осевой разгрузки ротора выполнено только в одном из насосов, то экономичность и кавитационные характеристики второго насоса улучшатся, что приведет к повышению общей эффективности турбонасосного агрегата.
В турбонасосном агрегате согласно фиг.2 для минимизации осевых размеров агрегата, минимизации взаимного влияния роторов насосов друг на друга между валами насосов установлена шлицевая рессора, служащая для передачи крутящего момента от одного вала к другому.
5
7
6
8
В турбонасосном агрегате, выполненном согласно фиг.3, с целью обеспечения контакта между валами насосов на всех режимах работы, включая режимы запуска и останова, при которых гидравлические силы недостаточны для взаимного прижатия роторов, в опорах установлены осевые пружины, усилие которых направлено навстречу друг другу. Пружины могут опираться на втулки, которые можно использовать в качестве ограничителей осевого перемещения ротора. Втулка и пружина могут быть выполнены в виде единой детали. Условия δ>δ и δ>δ должно сохраняться на всех режимах работы, в том числе с учетом силовых и температурных деформаций конструкции.
Использование изобретения обеспечивает повышение экономичности турбонасосного агрегата, включающего в себя два насоса и турбину, за счет использования только в одном из насосов автоматического разгрузочного устройства, осуществляющего осевую разгрузку роторов обоих насосов. Повышение экономичности ТНА достигается уменьшением утечек рабочей жидкости в насосе, в котором исключено автоматическое разгрузочное устройство ротора.
Для насоса, работающего на кислороде, исключение автоматического устройства осевой разгрузки повышает надежность ТНА за счет исключения склонного к возгоранию в кислороде места возможного фрикционного контакта роторного и статорного элементов осевой регулирующей щели автоматического разгрузочного устройства. Кроме того, исключение утечек, поступающих через разгрузочные отверстия во входную полость крыльчатки, улучшают антикавитационные качества насоса.
При работе турбонасосного агрегата величины диаметров уплотнений в обоих насосах и турбине выбраны таким образом, чтобы обеспечивался постоянный контакт между роторами насосов по их торцам за счет действия сил, вызванных перепадами давления в проточной части насосов и турбины. Передача крутящего момента от одного вала к другому осуществляется с применением шлицевого соединения. Шлицевое соединение может выполняться как непосредственно в валах насосов, так и с применением шлицевой муфты или шлицевой рессоры.
Для того чтобы обеспечить работоспособность турбонасосного агрегата при запуске и останове, когда давления в полостях малы, в конструкции насосов предусмотрены упругие элементы, на которые опираются наружные кольца подшипников, ограничивающих осевое перемещение роторов насосов. Упругие элементы обеспечивают постоянный контакт опорных торцов валов до начала работы ТНА и на всех режимах его работы, когда встречное усилие не обеспечивается гидравлическими силами.
Турбонасосный агрегат ЖРД, созданный с использованием предлагаемого изобретения, имеет более высокую экономичность и надежность за счет исключения автоматического разгрузочного устройства в одном из насосов. Кроме турбонасосных агрегатов ЖРД изобретение может использоваться в агрегатах общепромышленного назначения, использующих в своем составе несколько насосов и требующих разгрузки роторов от действия осевых сил.