Бустерный турбонасосный агрегат ЖРД (варианты)
LPRE BOOSTER TURBOPUMP UNIT (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), преимущественно кислородно-метановых и кислородно-водородных.
В ЖРД широко применяются бустерные турбонасосные агрегаты (БТНА) с осевым насосом, приводом для которого служит гидравлическая или газовая турбина, рабочее колесо которой расположено на валу. Такие БТНА вследствие простоты конструкции обладают высокой надежностью. Одной из проблем создания БТНА является обеспечение разгрузки подшипников от действия осевых сил при сохранении максимальной экономичности и надежности агрегата. Особенно остро эти проблемы проявляются в БТНА жидкого метана и жидкого водорода кислородно-метановых и кислородно-водородных ЖРД, а также БТНА двигателей многократного применения независимо от применяемых компонентов топлива. При работе бустерного турбонасосного агрегата с осевым насосом на его осевое колесо действует осевое усилие, обусловленное создаваемым им перепадом давлений. Это осевое усилие действует в направлении от выхода к входу в насос. Чем выше перепад давления, создаваемый насосом, тем больше величина осевого усилия, действующего на осевое колесо насоса. Величина этого усилия может составлять несколько тысяч килоньютон. Так как в бустерных турбонасосных агрегатах, как правило, используются турбины с низким перепадом давления на колесе турбины, то осевое усилие, действующее на ротор со стороны турбины, невелико и не может уравновесить осевое усилие от осевого колеса насоса.
Известно устройство разделения насоса и турбины водородного бустерного турбонасосного агрегата ЖРД (Космонавтика и ракетостроение, выпуск 16, ЦНИИмаш, 1999. Стр. 79. Рис. 6), содержащее разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны насоса уплотнением вала, а со стороны колеса турбины разгрузочным диском с его уплотнением. В разделительную полость подводится рабочая среда от внешнего источника. В разделительной полости между уплотнением вала и разгрузочным диском помещен подшипник турбины.
Недостатками указанного устройства являются:
- для уравновешивания осевого усилия от осевого колеса насоса должен использоваться устанавливаемый в разделительной полости разгрузочный диск большого диаметра;
- диаметр уплотнения вала выполняется больше диаметра вала в месте посадки подшипника турбины, что также влечет за собой увеличение диаметра разгрузочного диска;
- повышенный диаметр разгрузочного диска ведет к увеличению потерь мощности на трение, связанных с вращением диска;
- повышенные диаметры уплотнений вала и разгрузочного диска вызывают повышенные потери мощности, связанные с утечками рабочей среды из разделительной полости, утечки по величине могут быть сопоставимы с расходом рабочего газа через турбину;
- в разделительную полость между насосом и турбиной подводится водород высокого давления с выхода водородного насоса главного турбонасосного агрегата, этот водород находится в газовой фазе, из-за чего ухудшаются условия охлаждения подшипника турбины;
- утечка жидкого компонента из разделительной полости в полость турбины БТНА снижает ее экономичность;
- наличие тракта внешнего подвода в разделительную полость и полость подшипника турбины БТНА усложняет конструкцию двигателя, так как требует включения в состав двигателя отдельной магистрали подвода жидкого компонента высокого давления от основного турбонасосного агрегата к БТНА.
Известен бустерный насосный агрегат ЖРД (Патент РФ 2134821 С1. Бустерный насосный агрегат ЖРД. Опубликовано 20.08.1999), разделительное уплотнение в котором представляет собой комбинацию импеллера и щелевого уплотнения, установлено между турбиной и насосом.
Недостатками указанного устройства являются:
- утечка жидкого компонента из разделительной полости в полость турбины БТНА снижает как ее экономичность, так и экономичность БТНА;
- усилие на подшипники от действия осевых сил складывается из усилия, действующего на рабочее колесо насоса и импеллера, отсутствует возможность компенсации усилия, действующего на подшипники.
Известно устройство разделения насоса и турбины БТНА ЖРД, содержащее насос, турбину, разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны насоса уплотнением вала, а со стороны колеса турбины разгрузочным диском с его уплотнением, тракт внешнего подвода в разделительную полость и полость подшипника турбины, разгрузочный диск с его уплотнением совмещен с колесом турбины, диаметр уплотнения вала выполнен меньше диаметра вала в месте посадки подшипника турбины, а подшипник турбины установлен со стороны насоса за разделительной полостью. (Патент РФ 2299344 С1. Устройство разделения насоса и турбины бустерного турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя., опубликовано: 20.05.2007, Бюл. №14 - прототип).
БТНА с таким устройством разделения насоса и турбины обладает следующими недостатками:
- при работе БТНА холодная утечка из полости разгрузочного диска попадает на колесо турбины, что приводит к возникновению зонтичного эффекта - термическим деформациям и напряжениям в диске и лопатках колеса турбины;
- утечка жидкого компонента из разделительной полости в полость турбины БТНА снижает ее экономичность;
- наличие тракта внешнего подвода в разделительную полость и полость подшипника турбины БТНА усложняет конструкцию двигателя, так как требует включения в состав двигателя отдельной магистрали подвода жидкого компонента высокого давления от основного турбонасосного агрегата к БТНА;
- усилие разгрузки подшипников от действия осевых сил определяется давлением подводимого компонента и диаметром уплотнения на диске колеса турбины БТНА, приводимого газовой турбиной, однако чем выше давление подводимого на разгрузку компонента топлива, тем большая мощность теряется на основном турбонасосном агрегате, и чем больше диаметр уплотнения, тем меньше коэффициент полезного действия (КПД) турбины БТНА и выше термические напряжения в колесе турбины;
- утечки в полость насоса компонента, подводимого на разгрузку подшипников, приводят к снижению общей экономичности системы питания двигателя;
- утечки в полость турбины компонента, подводимого на разгрузку подшипников, приводят к снижению ее экономичности, в БТНА ЖРД с тягой менее 0,5 МН уменьшение утечек из разделительной полости в полость турбины особенно важно, так как эти утечки по величине могут быть сопоставимы с расходом газа через турбину.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков устройства разделения насоса и турбины БТНА ЖРД, уменьшение потерь мощности, затрачиваемой на разделение насоса и турбины, повышение экономичности системы питания, снижения термических деформаций рабочего колеса газовой турбины, обеспечение снижения усилия, действующего на подшипники от осевых сил.
Технический эффект достигается тем, что в БТНА ЖРД, содержащем насос, турбину, подшипник турбины, подшипник насоса, разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны турбины уплотнением вала, подшипник турбины установлен со стороны насоса за разделительной полостью согласно изобретению разделительная полость размещена между подшипником турбины и уплотнением вала, со стороны турбины, в разделительной полости установлен разгрузочный диск, на наружном диаметре которого выполнено уплотнение, а разделительная полость в периферийной части соединена отводящими каналами с отводом насоса.
Для снижения осевого усилия, действующего в сторону входа насоса:
- со стороны турбины может быть выполнена дополнительная разгрузочная полость, примыкающая к диску колеса турбины, ограниченная уплотнениям по валу и уплотнением на диске колеса турбины, соединенная каналами с коллектором подвода газа к турбине;
- между подшипником турбины и подшипником насоса может быть установлена осевая пружина;
- на торце разгрузочного диска со стороны насоса могут быть выполнены лопатки или ребра;
- на торце корпуса, примыкающем к разгрузочному диску со стороны турбины, могут быть выполнены лопатки или ребра;
- на торце разгрузочного диска со стороны насоса и в корпусе, примыкающем к разгрузочному диску со стороны турбины, могут быть выполнены лопатки или ребра.
Продольный разрез предлагаемого бустерного турбонасосного агрегата ЖРД представлен на фиг. 1, на фиг. 2, 3 - варианты БТНА с лопатками/ ребрами на торце корпуса, дополнительной разгрузочной полостью, где:
1 - турбина;
2 - насос;
3 - разделительная полость между насосом и турбиной;
4 - уплотнение вала;
5 - разгрузочный диск;
6 - уплотнение разгрузочного диска;
7 - подшипник турбины;
8 - подшипник насоса;
9 - отводящие каналы в отвод насоса;
10 - отвод насоса;
11 - лопатки/ребра на разгрузочном диске;
12 - лопатки/ребра в корпусе;
13 - рабочее колесо насоса;
14 - диск колеса турбины;
15 - дополнительная разгрузочная полость диска колеса турбины;
16 - уплотнение на диске колеса турбины;
17 - коллектор подвода турбины;
18 - каналы подвода газа.
Бустерный турбонасосный агрегат (фиг. 1) состоит из турбины 1, насоса 2 между которыми расположена разделительная полость 3, ограниченная со стороны турбины уплотнением вала 4. В разделительной полости 3 расположен разгрузочный диск 5, на наружном диаметре которого расположено уплотнение 6. Вал установлен на подшипник турбины 7 и подшипник насоса 8. В периферийной части разделительная полость соединена отводящими каналами 9 с отводом насоса 10. Для повышения разгружающей способности на торце разгрузочного диска со стороны насоса могут быть выполнены лопатки или ребра 11, с той же целью лопатки или ребра могут быть выполнены на торце корпуса 12 со стороны разгрузочного диска 5 (фиг. 2), обращенной в сторону турбины. Лопатки/ребра 11 на торце разгрузочного диска и лопатки/ребра 12 на торце корпуса могут быть выполнены как по отдельности, так и совместно. В состав насоса 2 входит рабочее колесо насоса 13.
В варианте изобретения бустерный турбонасосный агрегат (фиг. 3), состоит из турбины 1, насоса 2 между которыми расположена разделительная полость 3, ограниченная со стороны турбины уплотнением вала 4. В разделительной полости 3 расположен разгрузочный диск 5, на наружном диаметре которого расположено уплотнение 6. Вал установлен на подшипник турбины 7 и подшипник насоса 8. В периферийной части разделительная полость соединена отводящими каналами 9 с отводом насоса 10. Для повышения разгружающей способности на торце разгрузочного диска со стороны насоса могут быть выполнены лопатки/ребра 11, с той же целью лопатки/ребра 12 могут быть выполнены на торце корпуса со стороны разгрузочного диска 5, обращенной в сторону турбины. Лопатки/ребра 11 на торце разгрузочного диска и лопатки/ребра 12 на торце корпуса могут быть выполнены как по отдельности, так и совместно. В состав насоса 2 входит рабочее колесо насоса 13. Для дополнительной компенсации осевой силы, действующей на подшипники 7 со стороны турбины, у диска колеса турбины 14 использована дополнительная разгрузочная полость 15, ограниченная уплотнением вала 4 и уплотнением на диске колеса турбины 16, соединенная с коллектором подвода газа к турбине 17 каналами 18.
При работе БТНА (фиг. 1) в разделительную полость 3 со стороны насоса 2 на разгрузочный диск 5 поступает рабочая жидкость насоса высокого давления после рабочего колеса насоса 13 из отвода насоса 10 через каналы 9, а со стороны турбины 1 через уплотнение вала 4 на разгрузочный диск 5 из турбины поступает газ. За счет вращения ротора разгрузочный диск 5 создает дополнительный напор, давление на его наружном диаметре превышает давление в отводе насоса 10 и давление на выходе из уплотнения 4, что исключает прорыв газа в полость рабочего колеса насоса. Утечка рабочей жидкости из разгрузочной полости ограничена уплотнением 6 на разгрузочном диске. Из разгрузочной полости 5 смесь рабочей жидкости насоса и газа из турбины через отводящие каналы 9 поступает в отвод насоса 10, где смешивается с основным потоком. При смешении с жидким компонентом газ конденсируется и на вход в насос основного турбонасосного агрегата поступает рабочее тело в жидкой фазе. Так как утечка газа из турбины через уплотнение вала 4, по сравнению с расходом через насос БТНА, невелика, она не оказывает существенного влияния на характеристики основного насоса турбонасосного агрегата. При работе на рабочее колесо насоса 13 действует осевое усилие, создаваемое действующим на него перепадом давлений. Это усилие направлено в сторону от выхода к входу в насос. В турбине 1, работающей при низком перепаде давлений, на диск колеса турбины 14 действует осевое усилие, направленное в ту же сторону, что и осевое усилие, действующее на рабочее колесо насоса 13. Осевые усилия, действующие на диск колеса турбины 14 и рабочее колесо насоса 13, уравновешиваются осевым усилием, действующим на разгрузочный диск 5 и направленным в обратную сторону, т.е. от входа к выходу из насоса, что снижает осевую, силу, действующую на подшипники 7 и 8. Для повышения разгружающей способности разгрузочного диска 5 в разгрузочном диске со стороны насоса могут быть выполнены лопатки или ребра 11, повышающие давление по поверхности диска. Для выравнивания давления по поверхности диска со стороны турбины лопатки или ребра могут быть выполнены на торце корпуса 12 со стороны разгрузочного диска, обращенной в сторону турбины (фиг. 2). Лопатки/ребра 11 в разгрузочном диске и лопатки/ребра 12 на торце корпуса могут быть выполнены как по отдельности, так и совместно в зависимости от распределения давления в полостях насоса и турбины БТНА. Площадь разгрузочного диска 5 определяется величиной осевого усилия, требуемого для уравновешивания осевых сил, действующих на диск колеса турбины 14 и рабочее колесо насоса 13.
При работе варианта БТНА с повышенной разгружающей способностью (фиг. 3) в разделительную полость 3 со стороны насоса 2 на разгрузочный диск 5 поступает рабочая жидкость насоса высокого давления после рабочего колеса насоса 13 из отвода насоса 10 через каналы 9, а со стороны турбины 1 через уплотнение вала 4 на разгрузочный диск 5 из турбины поступает газ. За счет вращения ротора разгрузочный диск 5 создает дополнительный напор, давление на его наружном диаметре превышает давление в отводе насоса 10 и давление на выходе из уплотнения 4, что исключает прорыв газа в полость рабочего колеса насоса. Утечка рабочей жидкости из разгрузочной полости ограничена уплотнением 6 на разгрузочном диске. Из разгрузочной полости 5 смесь рабочей жидкости насоса и газа из турбины через отводящие каналы 9 поступает в отвод насоса 10, где смешивается с основным потоком. При смешении с жидким компонентом газ конденсируется и на вход в насос основного турбонасосного агрегата поступает рабочее тело в жидкой фазе. Так как утечка газа из турбины через уплотнение вала 4, по сравнению с расходом через насос БТНА, невелика, она не оказывает существенного влияния на характеристики основного насоса турбонасосного агрегата. При работе на рабочее колесо насоса 13 действует осевое усилие, создаваемое действующим на него перепадом давлений. Это усилие направлено в сторону от выхода к входу в насос. В турбине 1, работающей при низком перепаде давлений, на диск колеса турбины 14 действует осевое усилие, направленное в ту же сторону, что и осевое усилие, действующее на рабочее колесо насоса 13. Осевые усилия, действующие на диск колеса турбины 14 и рабочее колесо насоса 13, уравновешиваются осевым усилием, действующим на разгрузочный диск 5 и направленным в обратную сторону, т.е. от входа к выходу из насоса, что снижает осевую, силу, действующую на подшипники 7 и 8. Для повышения разгружающей способности разгрузочного диска 5 в разгрузочном диске со стороны насоса могут быть выполнены лопатки или ребра 11, повышающие давление по поверхности диска. Для выравнивания давления по поверхности диска со стороны турбины лопатки или ребра 12 могут быть выполнены на торце корпуса со стороны разгрузочного диска, обращенной в сторону турбины. Лопатки/ребра 11 в разгрузочном диске и лопатки/ребра 12 на торце корпуса могут быть выполнены как по отдельности, так и совместно в зависимости от распределения давления в полостях насоса и турбины БТНА. Дополнительно для снижения утечек рабочей жидкости насоса из разделительной полости между насосом и турбиной 3 в отвод насоса 10 и повышения общей разгружающей способности в разгрузочную полость диска турбины 15, ограниченную диском колеса турбины 14, уплотнением вала 4 и уплотнением на диске колеса турбины 16, из коллектора подвода турбины 17 через каналы подвода в разгрузочную полость диска турбины 18 поступает газ высокого давления. В дополнительной разгрузочной полости 15 создается осевое усилие, направленное в сторону противоположную выходу из насоса, величина которого определяется диаметрами уплотнения вала 4 и уплотнения на диске колеса турбины 16. Площадь разгрузочного диска 5 и диаметр уплотнения на диске колеса турбины 16 определяются величиной осевого усилия, требуемого для уравновешивания осевых сил, действующих на диск колеса турбины 14 и рабочее колесо насоса 13.
Преимуществом приведенного бустерного турбонасосного агрегата ЖРД, в отличие от прототипа, где разгрузка подшипников от действия осевых сил обеспечивается за счет подвода рабочего тела высокого давления с выхода насоса основного турбонасосного агрегата, является:
- отсутствие холодной утечки рабочего тела из разделительной полости 3 на диск колеса турбины 14, что исключает возникновение зонтичного эффекта - термических деформаций и напряжений в колесе турбины;
- отсутствие утечки жидкого компонента из разделительной полости 3 в полость турбины, что позволяет обеспечить высокую экономичность турбины;
- отсутствие утечки компонента, подводимого на разгрузку подшипников, в полость насоса обеспечивает высокую экономичность насоса БТНА;
- осуществление осевой разгрузки опор за счет организации рабочего процесса внутри агрегата;
- исключение подвода жидкого компонента высокого давления в разделительную полость между насосом и турбиной, требовавшего включения в состав двигателя отдельной магистрали жидкого компонента высокого давления от основного турбонасосного агрегата к БТНА;
- обеспечение величины усилия разгрузки подшипников от действия осевых сил выбором диаметра разгрузочного диска, площади разгрузочной полости (диаметров уплотнения вала 4 и уплотнения на диске колеса турбины 16), усилием осевой пружины.
Таким образом, реализация бустерного турбонасосного агрегата ЖРД обеспечит минимальные потери мощности, связанные с разгрузкой подшипников от действия осевых сил при обеспечении их надежной разгрузки и общем повышении экономичности системы питания ЖРД.