ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
TURBOPUMP SET

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 важным вопросом 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, выполненным отдельно или 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).
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.
Известен турбонасосный агрегат - ТНА по патенту РФ на изобретение №2459118, МПК F04D 13/04, опубл. 20.12.2012 (прототип).
Этот ТНА содержит два насоса: первый и второй с соединенными с применением шлицевого соединения валами и установленными на валах центробежные рабочие колеса насосов, закрепленное на первом валу колесо турбины, установленный на валу второго насоса разгрузочный поршень автоматического устройства разгрузки осевой силы, ограниченного радиальным уплотнением в периферийной части этого поршня и имеющего по обе стороны полости соответственно высокого и низкого давления, 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, при этом вал одного насоса своим опорным торцом опирается на опорный торец вала второго насоса.
Недостатком прототипа является то, что перепуск подогретого горючего на вход в центробежное рабочее колесо приводит к ухудшению антикавитационных качеств насоса, срыву его работы и, как следствие, к снижению надежности работы ТНА.
Задачей создания изобретения является повышение надежности ТНА.
Достигнутый технический результат: улучшение антикавитационных качеств одного из насосов.
Решение указанной задачи достигнуто в турбонасосном агрегате, содержащем два насоса: первый и второй с соединенными с применением шлицевого соединения валами и установленными на валах центробежными рабочими колесами насосов, закрепленное на первом валу колесо турбины, установленный на валу второго насоса разгрузочный поршень автоматического устройства разгрузки осевой силы, ограниченного радиальным уплотнением в периферийной части этого поршня и имеющего по обе стороны полости соответственно высокого и низкого давления, 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, при этом вал одного насоса своим опорным торцом опирается на опорный торец вала второго насоса, тем, что согласно изобретению второй насос содержит шнек, установленный перед центробежным рабочим колесом второго насоса, полость высокого давления соединена с выходом этого насоса через регулятор давления, имеющий дроссель и управляющий шток, контактирующий с торцом вала этого насоса, а полость низкого давления соединена с полостью между шнеком и рабочим колесом этого насоса.
Между опорными торцами валов может быть установлена шлицевая рессора.
Наружные кольца шарикоподшипников, ограничивающих осевое перемещение роторов насосов, могут опираться на упругие кольца.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…4, где:
- на фиг.1 показан общий вид,
- на фиг.2 и 3 - варианты предлагаемого турбонасосного агрегата,
- на фиг.4 - конструкция регулятора давления.
Турбонасосный агрегат (фиг.1…4) состоит из первого насоса 1 (насоса окислителя), второго насоса 2 (насоса горючего 2), турбины 3. Насосы 1 и 2 имеют соответственно валы 4 и 5. На валах 4 и 5 насосов 1 и 2 установлены центробежные рабочие колеса 6 и 7. Со стороны входа в рабочие колеса 6 и 7 насосов 4 и 5 полости высокого давления отделены от полостей низкого давления передними уплотнениями 8 и 9. Крутящий момент от вала 5 первого насоса 3 окислителя 3 к валу 6 второго насоса 4 передается с помощью шлицевого соединения 10, например шлицевой муфты, при этом валы 4 и 5 насосов 1 и 2 опираются друг на друга по опорным торцам 11 и 12. Вместо шлицевой муфты для передачи крутящего момента может быть использована шлицевая рессора (фиг.2).
На валу 6 первого насоса 4 установлено рабочее колесо 13 турбины 3. На валу 5 второго насоса 2 (горючего) выполнен автомат разгрузки осевой силы 14, входящий в систему разгрузки осевой силы, содержащий разгрузочный поршень 15, полость низкого давления 16 и полость высокого давления 17 которого ограничена радиальным уплотнением 18 в периферийной части разгрузочного поршня 15. Кроме того, в систему регулировании осевой силы входит регулятор давления 19, содержащий входной штуцер 20 и выходной штуцер 21 (фиг.4). Выходной штуцер 21 соединен с полостью высокого давления 17, а входной штуцер 20 соединен каналом 22 с полостью 23 на выходе из второго насоса 5.
ТНА содержит опору 24 первого насоса 2, ограничивающую осевое перемещение вала 4, и опору 25 ограничивающую перемещение вала 5, которые установлены в корпусах с зазорами.
1
2
Зазоры для опоры 24 первого насоса составляют δ и δ по торцам наружного кольца.
3
4
Зазоры для опоры 25 второго насоса 3, ограничивающие осевое перемещение ротора, составляют δ и δ по торцам наружного кольца.
1
3
2
4
При сборке турбонасосного агрегата должны выполняться условия δ>δ и δ>δ, обеспечивающие устройству разгрузки осевой силы возможность работать для осевой разгрузки валов 4 и 5 обоих насосов 1 и 2.
В варианте, приведенном на фиг.3, в опорах ротора установлены осевые пружины 26 и 27, усилие которых направлено на создание контакта между валами до запуска турбонасосного агрегата, пружины опираются на втулки 28 и 29, которые могут служить ограничителями осевого перемещения валов 4 и 5 насосов 1 и 2.
5
6
7
8
5
7
6
8
При этом по торцам наружного кольца опоры 24 первого насоса 1, ограничивающего осевое перемещение ротора, выполнены зазоры δ и δ. По торцам наружного кольца опоры 24 второго насоса 2, ограничивающего осевое перемещение ротора, выполнены зазоры δ и δ. При сборке турбонасосного агрегата с пружинами в опорах 23 и 24 должны выполняться условия δ>δ и δ>δ, обеспечивающие автомату разгрузки осевой силы возможность работать для осевой разгрузки роторов обоих насосов. Кроме того, установка пружин позволяет устранить зазоры в опорах (шарикоподшипниках) и повысить их долговечность.
Второй насос 2 содержит установленный на валу 5 шнек 30, при этом шнек 30 установлен перед центробежным рабочим колесом 7 и между ними образуется полость 31. Полость 31 и полость низкого давления 16 сообщаются каналами 32 для сброса утечек одного из компонентов топлива (в конкретном примере - горючего) на вход в центробежное рабочее колесо 7. Учитывая, что давление в полости 31 значительно выше, чем давление на входе во второй насос 3 прототипа, это предотвратит развитие кавитации во втором насосе 3.
На фиг.1 приведена конструкция ТНА с шлицевым соединением 10 в виде шлицевой муфты 33, на фиг.2 - в виде шлицевой рессоры 34, которая своими торцами 35 и 36 упирается в валы 4 и 5.
На фиг.4 приведена конструкция регулятора давления 19. Регулятор давления 19 содержит корпус 37, внутри которого установлен дроссель 38, содержащий седло 39, клапан 40 со штоком 41 и толкающим штоком 42. Шток 41 связан с поршнем 43, над которым установлена пружина 44. Корпус 37 имеет заглушку 45, входной штуцер 20 и выходной штуцер 21. Толкающий шток 36 контактирует с торцом 46 вала 5 и постоянно поджат к нему пружиной 44.
РАБОТА ТНА
1
3
2
4
До начала работы турбонасосного агрегата, выполненного согласно фиг.1, валы (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 2 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 1 и 2 и турбину 3, за счет использования только в одном из насосов (конкретно во втором насосе 2) автоматического разгрузочного устройства, осуществляющего осевую разгрузку валов (роторов) обоих насосов. Повышение экономичности ТНА достигается уменьшением утечек рабочей жидкости в насосе, в котором применен автомат разгрузки осевой силы.
Для первого насоса, работающего на кислороде, исключение автоматического устройства осевой разгрузки повышает надежность ТНА за счет исключения в склонном 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, улучшает антикавитационные качества первого 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.
Регулирование осевой силы на валах 4 и 5 ТНА осуществляется следующим образом. При возрастании осевой силы со стороны турбины 3 и первого насоса 1 вал 5 перемещается вправо и надавливает на толкающий шток 36 (фиг.4), в результате чего клапан 34 отходит от седла 33 и зазор между ними увеличивается. Давление компонента топлива в выходном штуцере 21 возрастает и, следовательно, возрастает давление в полости высокого давления 17. Сила, действующая на разгрузочный поршень 15 влево, увеличивается и компенсирует возрастание осевой силы (действующей слева направо). Небольшая часть компонента топлива из полости 23 по каналу 20 поступает в полость высокого давления 17. Утечки компонента топлива, прошедшие через радиальное уплотнение 18 в полость низкого давления 16 по каналу 32, сбрасываются в полость 31 относительно высокого (по сравнению с давлением на входе во второй насос 2), не вызывая ухудшения его антикавитационных свойств. Повышение давления является самым радикальным средством для предотвращения кавитации.
При уменьшении осевой силы система регулирования осевой силы работает в обратной последовательности, т.е уменьшает давление в полости высокого давления 17.
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.
Положительный результат - улучшение антикавитационных свойств одного из насосов.