ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ROCKET ENGINE TURBOPUMP ASSY

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано для перекачки компонентов ракетного топлива, как высококипящих, так и криогенных, в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей.
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, 10.03.1998. 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. 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.
Известен турбонасосный многоступенчатый агрегат, содержащий корпус с передней крышкой и всасывающим патрубком, установленные в корпусе на подшипниках два коаксиально расположенные вала с кольцевой полостью между ними, на каждом из которых установлено рабочее колесо (патент Великобритании №775547, кл.110 (1), 1953).
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы, увеличенные габариты и вес. Отсутствие средства для уменьшения колебаний валов, возникающих во время работы из-за наличия вибраций конструкции и пульсаций в покое перекачиваемого компонента, приводит к снижению надежности валов в работе. Для увеличения прочности валов приходится увеличивать их диаметральные размеры и толщину цилиндрической части, особенно наружного вала. При этом растут диаметральные размеры установленных на валах роторных деталей, а вместе с ними и диаметральные размеры корпусов. Это приводит к росту габаритов и веса агрегатов.
Наиболее близким к изобретению является турбонасосный агрегат ракетного двигателя по патенту РФ на изобретение 2232300, 10.07.2004. Этот ТНА содержит турбину и два насоса для перекачки компонентов ракетного топлива: окислителя и горючего. Насосы выполнены шнекоцентробежными и содержат центробежные рабочие колеса и установленные перед ними шнеки.
Недостатками известного ТНА являются относительно плохие кавитационные свойства насосов и их большие габариты, вследствие того, что первая ступень первого насоса (от турбины), приводимая в действие гидротурбиной, имеет небольшую частоту вращения и, как следствие, большие габариты и небольшой напор. Не проработана разгрузка осевых сил для двух валов: внешнего и внутреннего.
Задачами создания изобретения являются улучшение кавитационных свойств насоса при обеспечении минимального веса турбонасосного агрегата и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и внешнего валов.
Решение указанных задач достигается за счет того, что в турбонасосном агрегате ракетного двигателя, содержащем турбину с рабочим колесом и два насоса, первый и второй, установленные соосно и содержащие, в свою очередь, каждый, по меньшей мере, одно центробежное рабочее колесо и, по меньшей мере, один шнек, внутренний и внешний валы, при этом рабочее колесо турбины установлено на внутреннем валу, по меньшей мере, один насос, например первый, выполнен двухступенчатым, причем обе ступени выполнены шнекоцентробежными, а между шнеком и центробежным рабочим колесом второй ступени двухступенчатого насоса установлена гидротурбина, закрепленная на внешнем валу, который проходит внутри центробежного рабочего колеса первой ступени, и соединен со шнеком первой ступени двухступенчатого насоса, шнек имеет внешнее бандажное кольцо, жестко соединенное с центробежным рабочим колесом второй ступени двухступенчатого насоса, согласно изобретению первое рабочее колесо второй ступени первого насоса связано с внутренним валом через магнитную муфту. Шнек второго насоса может быть жестко установлен на внутреннем валу. Шнек второго насоса может быть связан с внутренним валом через магнитную муфту.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 приведен общий продольный разрез турбонасосного агрегата;
на фиг.2 - конструкция первой ступени первого насоса;
на фиг.3 - конструкция турбины и второй ступени первого насоса;
на фиг.4 - конструкция второго насоса,
на фиг.5 - разрез А-А на фиг.2.
Турбонасосный агрегат (фиг.1-5) содержит турбину 1, первый насос 2 и второй насос 3, установленные соосно. Для примера, первый насос 2 может быть насосом окислителя «О», второй насос 3 - насосом горючего «Г». Возможно и другое расположение насосов 2 и 3, т.е. первый насос 2 перекачивает горючее, а второй - окислитель.
По меньшей мере, один из насосов 2 и/или 3 выполнен двухступенчатым и содержит первую и вторую ступени 4 и 5 соответственно. Турбонасосный агрегат содержит два вала: внутренний 6 и внешний 7, установленные в подшипниках 8. Между валами 6 и 7 выполнен радиальный зазор «Б» для прохода части перекачиваемого продукта (компонента ракетного топлива), предназначенного для смазки подшипников 8. Отверстие «В» сообщается с зазором «Б» между валами 6 и 7.
Насосы 2 и 3 выполнены центробежными, точнее шнекоцентробежными.
Первая ступень 4 двухступенчатого насоса 2 (фиг.2) содержит установленное с возможностью окружного проскальзывания на внешнем валу 7 центробежное рабочее колесо 9 со ступицей 10. Также в состав первой ступени 4 входит шнек 11, который жестко связан с внешним валом 7. Центробежное рабочее колесо 9 установлено в корпусе 12. К корпусу 12 подстыкован входной патрубок 13 с входной полостью 14. Во входном патрубке 13 выполнены отверстия «В», соединяющие полость 14 и зазор «Б». Первое центробежное рабочее колесо 9 связано с внутренним валом через магнитную муфту 15.
Вторая ступень 5 первого насоса 2 (фиг.3) содержит жестко установленное на внутреннем валу 6 второе центробежное рабочее колесо 16, имеющее ступицу 17. Второе центробежное рабочее колесо 16 установлено в корпусе 18. К корпусу 18 подстыкован переходный корпус 19, при этом полость на выходе из первой ступени 4 насоса 2 соединена с полостью внутри корпуса 19, выполненной на входе во вторую ступень 5 насоса 2. К корпусу 18 подстыкован выходной патрубок 20 с выходной полостью 21. Вторая ступень 5 содержит шнек 22, имеющий внешнее бандажное кольцо 23, жестко связанное с центробежным рабочим колесом 16. Между шнеком 22 и рабочим колесом 16 установлена гидротурбина 24 (точнее ее рабочее колесо), жестко соединенная с внешним валом 7.
Второй насос 3 (фиг.1 и 4) содержит центробежное рабочее колесо 25 со ступицей 26, установленное на внутреннем валу 6 и жестко соединенное с ним, например посредством шпонки или шлицов. Второй насос 3 содержит шнек 27, при этом шнек 27 может быть или жестко установлен на внутреннем валу 6, или связан с ним через магнитную муфту 28. Второй вариант наиболее предпочтителен, поэтому на фиг.1 и 5 приведен вариант исполнения с магнитной муфтой 28. Центробежное рабочее колесо 25 и шнек 27 установлены в корпусе 29. К корпусу 29 постыкованы входной патрубок 30 с полостью 31 и выходной патрубок 32 с полостью 33.
Турбина 1 может быть выполнена одноступенчатой или многоступенчатой. Далее приведен пример исполнения ТНА с одноступенчатой турбиной 1 (фиг.1 и 3). Турбина 1 содержит закрепленное на внутреннем валу 6 рабочее колесо 34 рабочими лопатками 35. Перед рабочими лопатками 35 закреплен сопловой аппарат 36. Турбина 1 имеет корпус 37, к которому подсоединен входной патрубок 38 с полостью 39 и выходной патрубок 40 с полостью 41. Насосы 2 и 3 имеют передние и задние уплотнения, соответственно 42 и 43 на всех центробежных рабочих колесах. Под задними уплотнениями 43 сформированы разгрузочные полости 44. Валы 6 и 7 уплотнены относительно подшипников 8 уплотнениями 45. Между шнеками и центробежными рабочими колесами, вращающимися с различными скоростями, установлены фрикционные кольца 46.
Конструкция магнитной муфты 15 приведена на фиг.4. Магнитная муфта 15 содержит ведущую и ведомую полумуфты, соответственно 47 и 48, с постоянными магнитами 49, закрепленными на них. При этом функцию ведущей полумуфты 47 выполняет часть внешнего вала 7, а функцию ведомой полумуфты 48 - ступица 10 центробежного рабочего колеса 9 с постоянными магнитами 49. Участок внешнего вала 7 между постоянными магнитами 49 или весь вал 7 должен быть выполнен из магнитопроницаемого материала, например из немагнитной стали, для обеспечения передачи магнитного потока. Современные технологии позволяют, используя небольшие по габаритам постоянные магниты 49, передавать мощности 10…50 МВт, что достаточно для привода насосов самых мощных ЖРД.
Конструкция магнитной муфты 28 аналогична конструкции магнитной муфты 15, но для обеспечения пониженной частоты вращения шнека 27 в этой магнитной муфте следует специально применить маломощные постоянные магниты. В этом случае магнитная муфта 28 будет работать с проскальзыванием.
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 38 внутрь полости 39 турбины 1 и проходит через сопловой аппарат 36 и рабочие лопатки 35, раскручивается внутренний вал 6 с центробежным рабочим колесом 16 и центробежным рабочим колесом 25. Давление перекачиваемого продукта, в нашем примере окислителя и горючего в полостях 21 и 33, возрастает. Поток окислителя раскручивает гидротурбину 24, которая раскручивает внешний вал 7, который приводит в движение шнек 11.
Центробежное рабочее колесо 9 приводит во вращение внутренний вал 6 через магнитную муфту 15.
Шнек 11 повышает давление на входе в центробежное рабочее колесо 9, тем самым предотвращая кавитацию на его входе. Кавитационные свойства шнеков всегда лучше, чем у центробежных рабочих колес. Для значительного улучшения кавитационных свойств шнека 11 он спроектирован так, чтобы работал с частотой вращения n2, меньшей, чем частота вращения n1 центробежного рабочего колеса 9, в 2…3 раза, что технически несложно за счет проектирования гидротурбины 24 пониженной мощности, например за счет уменьшения ее габаритов. Это также благоприятно скажется на весовых характеристиках ТНА.
При этом центробежное рабочее колесо 9 первой ступени 4 первого насоса 2 вращается с такой же угловой скоростью, что и рабочее колесо 35 турбины 1, т.е. со скоростью n1. Это позволяет значительно уменьшить диаметральные габариты этого центробежного колеса и получить на нем больший напор, чем в том же центробежном рабочем колесе у прототипа. Кроме того, осуществлять привод центробежного рабочего колеса и шнека при помощи маломощной гидротурбины, как это реализовано в прототипе, весьма проблематично.
Применение изобретения позволяет:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства обоих насосов и обеих ступеней двухступенчатого (двухступенчатых) насосов за счет применения шнеков на входе во все центробежные рабочие колеса насосов и уменьшения скоростей вращения шнеков за счет раздельного привода в двухвальной схеме.
2. Обеспечить разгрузку осевых сил валов за счет сосной компоновки турбины и насосов, применения задних уплотнений, формирующих разгрузочные полости.
3. Спроектировать турбонасосный агрегат очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежных рабочих колес обоих насосов до предельно допустимых по прочности.
4. Предотвратить срыв потока перекачиваемых компонентов ракетного топлива в насосах вследствие кавитации на их входах.
5. Создать турбонасосный агрегат с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности за счет применения максимальных угловых скоростей центробежных рабочих колес обоих насосов, применения многоступенчатой схемы одного или обоих насосов.