Устройство для осевой разгрузки ротора турбонасосного агрегата

 

Использование: устройство относится к турбонасосным агрегатам /ТНА/ кислородно-водородных ЖРД. Устройство может быть использовано в ТНА ЖРД, работающих на высококипящих компонентах топлива, а также в водородных ТНА ядерных двигателей. Сущность изобретения: устройство для осевой разгрузки ротора турбонасосного агрегата содержит многоступенчатый насос, турбину 2, ротор 3, разгрузочную полость крыльчатки 4 с регулирующим элементом 7, осевой зазор в регулирующем элементе, полость слива 8 после разгрузочной полости и уплотнение ротора 16, разделяющее полости турбины и насоса. Полость слива 8 соединена со входом крыльчатки 9 второй ступени с помощью отверстий 10, 11 в крыльчатках и кольцевого канала 12, образованного валом и ступицами крыльчаток, а в корпусе со стороны диска турбины в периферийной его части выполнен кольцевой выступ 14, образующий совместно с торцем диска турбины осевой зазор, а с разделительным уплотнением ротора 13 разгрузочную полость 5, при этом величина осевого зазора при смещенном в сторону турбины роторе равна осевому ходу ротора. 2 ил.

Устройство относится к турбонасосным агрегатам (ТНА) кислородно-водородных ЖРД. Устройство может быть использовано в ТНА ЖРД, работающих на высококипящих компонентах топлива, а также в водородных ТНА ядерных двигателей.

Известно устройство для осевой разгрузки ротора ТНА для подачи водорода. Устройство имеет разгрузочную полость и разгрузочный диск, совмещенный с основным диском крыльчатки третьей ступени насоса. Устройство имеет два регулирующих элемента: один на периферийной части диска и второй у ступицы диска. Полость слива после второго регулирующего элемента через отверстия в ступице диска соединена со входом в крыльчатку третьей ступени. Полость слива является разделительной полостью между полостями насоса и турбины. Разделительная полость отделена от полости турбины уплотнением ротора.

Недостатком такого устройства является недостаточная разгружающая способность для компенсации повышенного осевого усилия на турбине при запуске двигателя. Это требует либо вводить ограничения на режимы запуска двигателя, либо применять дополнительное устройство, например механический упор для восприятия при запуске двигателя осевого усилия нескомпенсированного разгрузочным устройством. Устранение этих недостатков устройства требует усложнения конструкции и повышает объем отработки двигателя.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение разгружающей способности, надежности и экономичности устройства для осевой разгрузки ротора.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для осевой разгрузки ротора турбонасосного агрегата, содержащем многоступенчатый насос, турбину, ротор, разгрузочную полость крыльчатки с регулирующим элементом, осевой зазор в регулирующем элементе, полость слива после разгрузочной полости и уплотнение ротора, разделяющее полости турбины и насоса, полость слива соединена со входом крыльчатки второй ступени с помощью отверстий в крыльчатке и кольцевого канала, образованного валом и ступицами крыльчаток, а в корпусе со стороны диска турбины в периферийной его части выполнен кольцевой выступ, образующий совместно с торцем диска турбины осевой зазор, а с разделительным уплотнением разгрузочную полость, при этом величина осевого зазора при смещенном в сторону турбины роторе равна осевому ходу ротора.

На фиг. 1 показан общий вид, на фиг. 2 элементы предлагаемого разгрузочного устройства, где 1 многоступенчатый насос, 2 турбина, 3 - ротор, 4 разгрузочная полость крыльчатки, 5 разгрузочная полость турбины, 6 уплотнение диска крыльчатки, 7 регулирующий элемент разгрузочной полости крыльчатки, 8 полость слива, 9 крыльчатка второй ступени, 10, 11 - отверстия, 12 кольцевой канал, 13 разделительное уплотнение, 14 - кольцевой выступ, 15 регулирующий элемент разгрузочной полости турбины, 16 - уплотнение ротора, 17 разделительная полость, 18 каналы, 19 полость за крыльчаткой, 20 подвод газа на турбину, 21 вход в насос.

Устройство содержит многоступенчатый насос 1, турбину 2 и ротор 3. Устройство включает две разгрузочные полости. Разгрузочная полость 4 крыльчатки выполнена со стороны основного диска крыльчатки третьей ступени насоса, разгрузочная полость 5 турбины со стороны диска второй ступени турбины. Разгрузочная полость 4 крыльчатки ограничена уплотнением 6 на периферийной части диска крыльчатки и торцовым регулирующим элементом 7 у ступицы крыльчатки. После регулирующего элемента выполнена полость слива 8, которая соединена со входом в крыльчатку 9 второй ступени с помощью отверстий 10,11 в крыльчатках и кольцевого канала 12, образованного наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью ступиц крыльчаток. Разгрузочная полость 5 турбины ограничена разделительным уплотнением 13 и кольцевым выступом 14 у периферийной части диска турбины. Между кольцевым выступом и диском турбины выполнен торцовый регулирующий элемент 15. Между полостью слива 8 разгрузочной полости крыльчатки и разделительным уплотнением 13 выполнена разделительная полость 17, соединенная каналами 18 с полостью 19 за крыльчаткой. Разделительная полость 17 отделена от полости 8 слива уплотнением ротора 16. Подвод газа 20 на турбину осуществляется со стороны, противоположной входу 21 в насос. Ротор может свободно перемещаться в осевом направлении. При смещенном в сторону турбины роторе величина осевого зазора в регулирующем элементе 15 равна осевому ходу ротора.

При работе двигателя осевое усилие на турбине, действующее в сторону насоса, уравновешивается действующим в сторону турбины осевым усилием в насосе. При изменении режима работы двигателя происходит разбалансировка осевых усилий турбины и насоса и ротор 3 начинает перемещаться в осевом направлении. При перемещении ротора изменяется осевой зазор в регулирующем элементе 7 разгрузочной полости крыльчатки, что приводит к изменению давления в разгрузочной полости 4 и усилия на основном диске крыльчатки. Перемещение ротора прекращается, когда приращение усилия на диске крыльчатки уравновесит осевое усилие, вызвавшее перемещение ротора. После регулирующего элемента 7 рабочая среда из разгрузочной полости 4 поступает в полость слива 8 и далее через отверстия 10, 11 и кольцевой канал 12 на вход в крыльчатку 9 второй ступени. При работе разгрузочного устройства используется перепад давлений, создаваемый двумя ступенями насоса. Благодаря этому разгрузочное устройство может уравновешивать большие осевые усилия при небольших величинах зазора в регулирующем элементе 7 и при увеличенном осевом зазоре в регулирующем элементе 15 разгрузочной полости 5 турбины. При увеличенном зазоре в регулирующем элементе 15, существенно превышающем зазор в разделительном уплотнении 13, на давление в разгрузочной полости 5 не оказывает влияние утечка рабочей среды через разделительное уплотнение и давление в разгрузочной полости 5 практически равно давлению у корня лопаток турбины.

Запуск двигателя осуществляется при повышенном перепаде давлений на турбине. Это создает повышенное осевое усилие на турбине, которое не может уравновесить разгрузочная полость крыльчатки. Поэтому при запуске двигателя ротор перемещается в сторону насоса до достижения малых величин осевого зазора в регулирующем элементе 15. Перемещение ротора при малых величинах осевого зазора в регулирующем элементе 15 приводит к увеличению давления в разгрузочной полости 5 и усилия на диске турбины. Перемещение ротора прекращается, когда приращение давления в разгрузочной полости 5 турбины сбалансирует осевое усилие, нескомпенсированное разгрузочной полостью 4 крыльчатки.

При работе двигателя на рабочих режимах осевое усилие на турбине уменьшается, ротор перемещается в рабочее положение, при котором в регулирующем элементе 15 устанавливается повышенный осевой зазор и разгрузочная полость 5 турбины исключается из работы.

Преимущество данного устройства состоит в том, что осевая разгрузка ротора достигается при минимальных потерях мощности насоса. При запуске двигателя разгрузка избыточного осевого усилия, нескомпенсированного разгрузочной полостью 4 насоса, осуществляется без дополнительных потерь мощности насоса и без усложнения конструкции.

Применение данного устройства повышает экономичность и надежность ТНА и обеспечивает живучесть конструкции при нарушении функционирования ее составных частей и агрегатов двигателя.

Использование данного устройства не требует новых технологических приемов, применения новых инструментов и особых условий эксплуатации, не увеличивает трудоемкость и длительность изготовления и осуществляется общеизвестными приемами изготовления и сборки ТНА.

Формула изобретения

Устройство для осевой разгрузки ротора турбонасосного агрегата, содержащее многоступенчатый насос, турбину, ротор, разгрузочную полость крыльчатки с регулирующим элементом, осевой зазор в регулирующем элементе, полость слива после разгрузочной полости и уплотнение ротора, разделяющее полости турбины и насоса, отличающееся тем, что полость слива соединена с входом крыльчатки второй ступени с помощью отверстий в крыльчатках и кольцевого канала, образованного валом и ступицами крыльчаток, а в корпусе со стороны диска турбины в периферийной его части выполнен кольцевой выступ, образующий совместно с торцем диска турбины осевой зазор, а с разделительным уплотнением разгрузочную полость, при этом величина осевого зазора при смещенном в сторону турбины роторе равна осевому ходу ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2