СИСТЕМА ПОДАЧИ ЖИДКОГО КИСЛОРОДА И СПОСОБ ЕГО ПОДАЧИ ИЗ БАКА ПОТРЕБИТЕЛЮ
LIQUID OXYGEN FEED SYSTEM AND METHOD OF ITS FEED FROM TANK TO CONSUMER

Предлагаемое изобретение относится, в основном, к области силовых установок летательных аппаратов, но может использоваться в технологическом оборудовании при испытании узлов и элементов кислородных насосов.
Совершенствование летательных аппаратов, в особенности использующих двигатели с турбонасосной системой подачи топлива, вызывает необходимость улучшения экономичности двигателей и их весовых характеристик. В связи с этим предъявляются требования по экономичности, массе и высокой надежности к турбонасосным агрегатам и, в частности, к насосам, перекачивающим жидкий кислород высокого давления.
Известны аналоги устройств ТНА с насосами подачи жидкого кислорода.
В техническом решении по АС СССР №109719 рассматривается двухкаскадная система подачи жидкого кислорода, включающая бустерный и основной насосы. Разделение системы подачи на два каскада с разной частотой вращения позволяет повысить всасывающую способность системы. Однако двухкаскадная система не позволяет обеспечивать высокое давление при малом кавитационном запасе и приемлемой суммарной массе насосной системы.
В техническом решении (статья: Бустерные турбонасосные агрегаты ЖРД конструкции НПО Энергомаш, авт. Е.Н. Ромасенко, Л.А. Толстиков. Труды НПО Энергомаш им. Акад. В.П. Глушко М. 2004, №22. С.100-118) рассмотрен двухкаскадный насос, в котором привод бустерного насоса, т.е. насоса первого каскада, осуществляется газовой турбиной, расположенной на наружном диаметре рабочего колеса шнекового типа, работающей на газе, выходящем из турбины (привода) насоса второго каскада. Это позволяет увеличить к.п.д. бустерного каскада. Недостатком этих аналогов является относительно малая надежность агрегатов при работе на кислороде с повышенной температурой или работе с существенно более высоким давлением подачи кислорода.
В техническом решении (Патент РФ №2204056 от 27.03.2000 г. «Турбонасосный трехступенчатый агрегат») рассмотрен агрегат, который содержит три каскада последовательно расположенных центробежных насосов, турбину и редуктор. Рабочую жидкость нагнетают в насосе первого каскада и подают в насос второго каскада, нагнетают в насосе второго каскада и подают в насос третьего каскада, нагнетают в насосе третьего каскада и подают потребителю. Вырабатываемую турбиной мощность через вал передают насосу второго каскада и через шестеренные передачи редуктора насосам первого и третьего каскадов. При этом частоты вращения роторов насосов всех каскадов могут быть разными.
Использование разной частоты вращения роторов насосов разных каскадов позволяет увеличить к.п.д. и уменьшить массу агрегата. Недостатками технического решения является применение шестеренного редуктора, обеспечивающего фиксированные частоты вращения насосов всех каскадов, что не позволяет устанавливать оптимальное по к.п.д. и антикавитационной устойчивости распределение напора между насосами при работе на различных режимах его эксплуатации, а также снижает надежность работы системы подачи рабочей жидкости в целом из-за применения механических редукторов.
В техническом решении (Патент РФ №2406860 от 25.11.2009 г. «Турбонасосный агрегат ЖРД») рассмотрен трехкаскадный агрегат, в котором центробежный насос каждого каскада приводится в действие своей газовой турбиной. Валы насосов расположены соосно так, что вал насоса второго каскада помещен внутри полого вала первого каскада, а вал насос первого каскада расположен внутри полого вала второго каскада. Насосы и турбины каждого каскада расположены на противоположных концах своих валов.
Газ поступает в турбину третьего каскада, затем второго и первого каскадов, где энергия газа с понижением давления преобразуется в механическую работу, потребляемую насосами третьего, второго и первого каскадов соответственно.
Это позволяет устанавливать оптимальное по к.п.д. и антикавитационной устойчивости распределение напора между насосами при работе на различных режимах его эксплуатации. Однако при этом длина валов второго и, в особенности, первого каскада оказывается слишком большой при использовании насосов с высокими к.п.д. и антикавитационными качествами, что отрицательно влияет на надежность работы агрегата, создавая возможность появления динамической неустойчивости роторов.
В техническом решении, принятом за наиболее близкий аналог по устройству и способу подачи кислорода (патент РФ на ПМ №42072), рассматривается насосная система, содержащая последовательно расположенные бустерный каскад, вход которого соединен с баком жидкого кислорода, промежуточный каскад и основной каскад, имеющий максимально допустимую частоту вращения и соединенный с потребителем жидкого кислорода. Каждый каскад включает в себя насос и его привод. Это позволяет расширить диапазоны давлений на входе в систему и на выходе из системы, а также расширить диапазон температуры жидкого кислорода при входе в бустерный насос без увеличения массы насосной системы. Однако для работы приводов первых двух каскадов необходима дополнительная затрата внешней энергии, снижающая величину к.п.д. насосной системы.
В основу изобретения по системе и способу подачи жидкого кислорода из бака потребителю положено решение задач повышения к.п.д. и уменьшения массы насосной системы при увеличении надежности ее работы.
Поставленные задачи в системе подачи жидкого кислорода из бака потребителю решаются тем, что система содержит агрегат соединенных последовательно гидравлически друг с другом насосов трех каскадов с автономными приводами, бак с кислородом и потребитель кислорода. Вход системы соединен с баком, а выход - с потребителем кислорода.
Новым в системе является то, что она снабжена источником газа высокого давления с вентилем, смесителем и потребителем газа. Источник газа соединен через вентиль с входом привода насоса третьего каскада, выполненного в виде турбины. Выход газа из турбины третьего каскада соединен с потребителем газа и с входами газа приводов насосов первого и второго каскадов, выполненных в виде осевых турбин, расположенных коаксиально соответствующим насосам и скрепленных с ними. Выходы газа из турбин первого и второго каскадов соединены через смеситель с выходом жидкого кислорода из насоса первого каскада. Каналы подачи кислорода в насосах первого и второго каскадов выполнены диагональными с осевыми входами и выходами. Насос третьего каскада выполнен центробежным.
Указанные существенные признаки изобретения при такой системе подачи жидкого кислорода обеспечивают решение поставленных задач, так как:
- наличие источника газа высокого давления с вентилем и привода насоса третьего каскада выполненным в виде турбины позволяет обеспечить наименьшую массу системы подачи жидкого кислорода, по сравнению с использованием приводов других схем;
- смешение газа из турбины третьего каскада после осевых турбин первого и второго каскадов, коаксиальных соответствующим насосам и скрепленных с ними, с жидким кислородом из насоса первого каскада в смесителе позволяет снизить массу и повысить к.п.д. системы подачи кислорода за счет уменьшения потребного кавитационного запаса насосов и повышения массового расхода смеси;
- соединение выхода газа из турбины третьего каскада с потребителем газа обеспечивает увеличение потребительских свойств системы подачи;
- выполнение каналов подачи кислорода в насосах первого и второго каскадов диагональными с осевыми входом и выходом позволяют достигнуть минимальной массы насосов первого и второго каскадов, за счет уменьшения их диаметральных габаритов;
- выполнение насоса третьего каскада центробежным после диагональных насосов первого и второго каскадов позволяет обеспечить заданное давление подачи кислорода на высоком уровне при высокой надежности системы подачи.
Существенные признаки изобретения по системе подачи жидкого кислорода из бака потребителю могут иметь развитие и дополнения:
- выходы газа из турбин первого и второго каскадов могут быть соединены с выходом жидкого кислорода из насоса первого каскада через смеситель раздельно. Это позволяет при высоком уровне давления газа за турбиной третьего каскада обеспечить малый суммарный отбор газа для привода турбин первого и второго каскадов, обеспечив более высокий к.п.д. насосной системы;
- выходы газа из турбин первого и второго каскадов могут быть соединены с выходом жидкого кислорода из насоса первого каскада в смесителе через сетчатую перегородку. Это уменьшает неравномерность поля температур в потоке жидкого кислорода перед насосом второго каскада, что позволяет уменьшить габариты и массу насоса второго каскада за счет увеличения кавитационного запаса.
Для решения поставленных задач способ подачи жидкого кислорода из бака потребителю заключается в том, что из бака подают кислород в насос первого каскада. Из насоса первого каскада подают кислород в насос второго каскада. Из насоса второго каскада подают кислород в насос третьего каскада. Из насоса третьего каскада подают кислород потребителю. Причем в насосе первого каскада давление кислорода повышают с условием обеспечения бескавитационной работы насоса второго каскада. В насосе второго каскада давление жидкого кислорода повышают до сверхкритического уровня, а в насосе третьего каскада устанавливают максимально допустимую частоту вращения.
Согласно изобретению на вход турбины третьего каскада подают из источника газ высокого давления. В турбине третьего каскада энергию газа преобразуют с понижением давления в механическую работу. На выходе из турбины третьего каскада газ подают потребителю и на вход турбин первого и второго каскадов. В турбинах первого и второго каскадов энергию газа преобразуют с понижением давления в механическую работу и выпускают газ в смеситель, где его смешивают с потоком кислорода, поступающим из насоса первого каскада. При этом величину давления кислорода перед насосом третьего каскада устанавливают выше давления критического состояния кислорода не более чем на 10%. Частоту вращения ротора насоса третьего каскада выбирают на предельном уровне, исходя из условия максимально допустимого значения параметра B напряженности ротора, определяемого соотношением
н
2
B=Nn,
н
где N - мощность насоса,
n - частота вращения ротора.
Причем частоту вращения ротора насоса второго каскада устанавливают больше частоты вращения ротора насоса первого каскада.
При таком способе подачи жидкого кислорода из бака потребителю указанные существенные признаки по способу обеспечивают решение поставленных задач, так как:
- подача газа на вход турбины третьего каскада и после турбины третьего каскада потребителю и на вход турбин первого и второго каскадов и далее в смеситель, где смешивают его с потоком кислорода из насоса первого каскада, обеспечивает повышение к.п.д. и уменьшение массы насосной системы;
- установление величины давления кислорода перед насосом третьего каскада выше давления критического состояния кислорода не более чем на 10% позволяет повысить надежность системы путем уменьшения возможности разгара металла конструкции тракта насоса третьего каскада без увеличения его массы;
- выбор частоты вращения насоса третьего каскада на предельном уровне исходя из условия заданной максимально допустимой величины параметра напряженности ротора обеспечивает минимальную массу насоса;
- выбор частоты вращения насоса второго каскада больше частоты вращения насоса первого каскада позволяет достичь уменьшения суммарной массы насосов первого и второго каскадов.
Существенные признаки изобретения по способу подачи жидкого кислорода из бака потребителю могут иметь развитие и дополнения:
- поток газа в турбине первого каскада можно направлять по потоку кислорода в насосе, что увеличивает к.п.д. турбины, за счет уменьшения длины гидравлического тракта за турбиной;
- поток газа в турбине второго каскада можно направлять против потока кислорода в насосе, что увеличивает к.п.д. турбины, за счет уменьшения длины гидравлического тракта за турбиной.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи по системе подачи жидкого кислорода и способу его подачи из бака к потребителю - повышено к.п.д. и уменьшена масса насосной системы при увеличении надежности ее работы.
Настоящее изобретение поясняется последующим описанием способа подачи кислорода из бака потребителю и системы подачи жидкого кислорода схематично представленной на чертеже.
Система подачи жидкого кислорода (см. схему) содержит агрегат соединенных последовательно гидравлически друг с другом насосов 1, 2 и 3 трех каскадов с автономными приводами 4, 5 и 6, бак 7 с кислородом и потребитель 8 кислорода. Вход системы соединен с баком 7, а выход - с потребителем 8 кислорода. Система содержит источник 9 газа высокого давления с вентилем 10, смеситель 11 и потребитель 12 газа. Источник 9 газа соединен через вентиль 10 с входом привода 6 насоса 3 третьего каскада. Привод 6 выполнен в виде турбины. Выход газа из турбины 6 третьего каскада соединен с потребителем 12 газа и с входами газа приводов насосов первого 4 и второго 5 каскадов. Приводы 4 и 5 выполнены в виде осевых турбин, расположенных коаксиально соответствующим насосам и скрепленных с ними. Выходы газа из турбин первого 4 и второго 5 каскадов соединены через смеситель 11 с выходом жидкого кислорода из насоса 1 первого каскада. Каналы подачи кислорода в насосах первого 1 и второго 2 каскадов выполнены диагональными с осевыми входами и выходами, а насос 3 третьего каскада выполнен центробежным.
Выходы газа из турбин первого 4 и второго 5 каскадов соединены с выходом жидкого кислорода из насоса 1 первого каскада через смеситель 11 раздельно
Выходы газа из турбин первого 4 и второго 5 каскадов соединены с выходом жидкого кислорода из насоса 1 первого каскада в смесителе 11 через сетчатую перегородку 13.
Способ подачи жидкого кислорода из бака 7 потребителю 8 заключается в том, что из бака 7 подают кислород в насос 1 первого каскада. Из насоса 1 первого каскада подают кислород в насос 2 второго каскада. Из насоса 2 второго каскада подают кислород в насос 3 третьего каскада. Из насоса 3 третьего каскада подают кислород потребителю 8. В насосе 1 первого каскада давление кислорода повышают из условия обеспечения бескавитационной работы насоса 2 второго каскада. В насосе 2 второго каскада давление жидкого кислорода повышают до сверхкритического уровня. В насосе 3 третьего каскада для повышения потребного давления кислорода устанавливают максимально допустимую частоту вращения. На вход турбины 6 третьего каскада подают газ из источника 9 высокого давления. В турбине 6 третьего каскада энергию газа преобразуют с понижением давления в механическую работу. На выходе из турбины 6 третьего каскада газ подают потребителю 12 и на вход турбин 4 и 5 соответственно насосов 1 и 2 первого и второго каскадов. В турбинах 4 и 5 энергию газа преобразуют с понижением давления в механическую работу и выпускают газ в смеситель 11. В смесителе 11 газ смешивают с потоком кислорода, поступающим из насоса 1 первого каскада, причем с помощью сетчатой перегородки 13 достигают максимальной равномерности смешения. При этом величину давления кислорода перед насосом 3 третьего каскада устанавливают выше давления критического состояния кислорода не более чем на 10%. Частоту вращения ротора насоса 3 третьего каскада выбирают на предельном уровне исходя из условия максимально допустимого значения параметра B напряженности ротора, определяемого соотношением
н
2
B=Nn,
н
где N - мощность насоса,
n - частота вращения ротора.
Частоту вращения насоса 2 второго каскада устанавливают больше частоты вращения насоса 1 первого каскада. Это позволяет оптимально выбрать величины давления насосов первого и второго каскадов, при котором их суммарная масса минимальна.
В первом каскаде поток газа в турбине 4 направляют по потоку кислорода в насосе 1.
Во втором каскаде поток газа в турбине 5 направляют против потока кислорода в насосе 2.
Расчетные исследования трехкаскадной насосной системы подачи жидкого кислорода с автономными газотурбинными приводами показали, что по сравнению с двухкаскадными системами:
- существенно увеличивается достижимый уровень давлений подачи кислорода при практически неизменной суммарной массе насосов первых двух каскадов,
- снижается (практически вплоть до нуля) величина потребного кавитационного запаса системы подачи кислорода при приемлемом уровне массы,
- повышается к.п.д. системы подачи кислорода при одинаковых давлениях подачи.
Полезное применение трехкаскадная насосная система может найти, например, в турбонасосных агрегатах (ТНА) современных и перспективных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) ракет-носителей, использующих в качестве окислителя жидкий кислород. В частности, в мощных кислородно-керосиновых ЖРД кислород из насоса поступает в газогенератор, где за счет подвода тепла от сгорания малой доли керосина он газифицируется с повышением давления при температуре выше 700 К, и далее горячий кислород с примесью, примерно 1%, продуктов сгорания поступает в турбину третьего каскада.
Ужесточение требований к ЖРД по экономичности и массе приводит к необходимости увеличения давления подачи компонентов топлива насосами (до 60 МПа и выше). Кроме того, для уменьшения собственной массы ракеты необходимо снижение давления в баках компонентов топлива и при входе компонентов в насосную систему (уменьшение кавитационного запаса кислорода при входе в насосную систему до 0.1 МПа и ниже). Все это, при использовании двухкаскадной насосной системы и ограничении параметров напряженности ротора ТНА, вызывает увеличение ее массы и повышает вероятность появления разгара металла в насосе высокого давления. Возможным выходом из этого положения является применение трехкаскадной схемы насосной системы с обеспечением сверхкритического давления кислорода перед насосом высокого давления и увеличенной частоты вращения ротора ТНА. Кроме того, для привода насосов первых двух каскадов применяются газовые турбины, рабочим телом которых является часть газа, выходящего из турбины третьего каскада, что позволяет уменьшить температуру газа перед турбиной третьего каскада и повысить надежность ее работы.
кр
Для обеспечения безопасности от разгара металла конструкции кислородного насоса третьего каскада, вызванного несанкционированным касанием деталей ротора и статора, величина давления кислорода на входе в насос третьего каскада выбирается не ниже критического значения (Р=5.09 МПа) для кислорода, чтобы подвод тепла при трении не вызывал образование парообразного кислорода, при наличии которого только и может развиться скоротечный разгар металла. Однако при увеличении давления за насосом второго каскада увеличивается расход газа в турбине второго каскада, увеличивается температура кислорода, уменьшается его плотность и возрастает давление упругости пара при уменьшении располагаемого кавитационного запаса и увеличения массы насоса. Поэтому величина давления перед насосом третьего каскада ограничивается как минимум пятипроцентным превышением величины критического давления,
вх3
кр
Р=1,05Р.
как максимум десятипроцентным превышением величины критического давления.
Величина давления за насосом первого каскада выбирается исходя из необходимости обеспечения бескавитационной работы насоса второго каскада с учетом повышенной температуры кислорода после смешения его с высокотемпературным газом и обеспечения минимальной суммарной массы первого и второго каскадов.
Предложенное техническое решение может найти использование не только при совершенствовании мощных жидкостных ракетных двигателей, но и в других отраслях народного хозяйства. Так, например, при необходимости получения газообразного кислорода сверхвысокого давления (до 100 МПа) можно производить закачку в закрытые емкости жидкого кислорода давлением до 30 МПа с последующей его газификацией за счет тепла окружающей среды. При этом давление в закрытой емкости будет повышаться практически пропорционально повышению температуры.