Турбонасосный агрегат
Изобретение относится к насосостроению. Агрегат содержит корпуса, центробежный насос 1, шнек 14, две газовые турбины 15, 16 и внешний и внутренний валы 3, 11, Вал 11 установлен внутри вала 3 на подшипниках 12, 13. Насос содержит центробежное рабочее колесо 4 со ступицей 5, имеющей внутреннюю полость 34. Колесо 4 закреплено на валу 3, который установлен в подшипнике 9, защищенном уплотнением 47. Турбины 15, 16 установлены в корпусе 23 с входным и выхлопным патрубками 51, 52 и включают сопловые аппараты 21, 22 и рабочие колеса 17, 18. Колеса 17, 18 установлены на валах 3, 11, шнек установлен на валу 3. Колесо 18 турбины 16 выполнено меньшего диаметра, чем колесо 17 турбины 15. Колесо 17 турбины 15 установлено в задней полости 25, выполненной внутри корпуса 23 турбины в его центральной части. Канал подвода газа к турбине 16 выполнен внутри внешнего вала 3 и сообщает полость входного патрубка 51 с полостью 54 перед турбиной 16. Канал отвода газа выполнен в виде кольцевой щели 57, соединяющей заднюю полость 45 турбины 16 с выхлопным патрубком 52 турбины 15. Изобретение направлено на улучшение кавитационных свойств насоса, входящего в состав турбонасосного агрегата, и обеспечение разгрузки осевых сил. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в любых отраслях техники для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных включений, в том числе для перекачки криогенных жидкостей. Предпочтительно насос использовать в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей, в том числе работающих на криогенных компонентах.
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, МПК 6 F04D 13/04, опубл. 10.03.98. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, крыльчатку и шнек, установленные на валу. Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, так как 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 №2232300 С2, прототип. Этот ТНА содержит корпуса, центробежный насос, содержащий, в свою очередь центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, две турбины, установленные в корпусе с входным и выхлопным патрубками и включающие сопловые аппараты и рабочие колеса, и внешний и внутренний валы, последний из которых установлен внутри внешнего вала на подшипниках, при этом рабочие колеса турбин установлены на внешнем и внутреннем валах, шнек установлен на внешнем валу, а рабочее колесо второй турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо первой турбины.
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.
Задачи создания изобретения - улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов.
Решение указанных задач достигнуто в турбонасосном агрегате, содержащем корпуса, центробежный насос, содержащий, в свою очередь, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, шнек, две турбины, установленные в корпусе с входным и выхлопным патрубками и включающие сопловые аппараты и рабочие колеса, и внешний и внутренний валы, последний из которых установлен внутри внешнего вала на подшипниках, при этом рабочие колеса турбин установлены на внешнем и внутреннем валах, шнек установлен на внешнем валу, а рабочее колесо второй турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо первой турбины, согласно изобретению обе турбины являются газовыми, рабочее колесо первой турбины установлено в задней полости, выполненной внутри корпуса турбины в его центральной части, а канал подвода газа ко второй турбине выполнен внутри внешнего вала и сообщает полость входного патрубка турбины с полостью перед второй турбиной, а канал отвода газа выполнен в виде кольцевой щели, соединяющей заднюю полость турбины с выхлопным патрубком турбины. Внутри ступицы выполнены внутренняя полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса. Внутри сквозных отверстий установлены центробежные регуляторы расхода. На заднем торце центробежного рабочего колеса и на переднем торце рабочего колеса первой турбины выполнены уплотнения, под которыми расположены разгрузочные полости.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6, где:
на фиг.1 приведен чертеж турбонасосного агрегата,
на фиг.2 - разрез по А-А,
на фиг.3 - вид Б первого варианта,
на фиг.4 - вид Б второго варианта,
на фиг.5 - вид Б третьего варианта,
на фиг.6 - конструкция поршня.
Турбонасосный агрегат (фиг.1) содержит центробежный насос 1 и две турбины 2. Центробежный насос 1 содержит внешний вал 3, который выполнен пустотелым. На внешнем валу 3 установлено центробежное рабочее колесо 4. Центробежное рабочее колесо 4 содержит ступицу 5, лопасти 6, переднюю стенку 7 и полости 8 между лопастями 6 и передней стенкой 7. Внешний вал 3 установлен на подшипнике 9 в корпусе 10. Внутренний вал 11 проходит внутри ступицы 5 и установлен на радиальном и упорном внутренних подшипниках 12 и 13 соответственно. На внутреннем валу 11 со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 установлен шнек 14.
Турбины 2 содержат первую и вторую турбины 15 и 16 соответственно, при этом эти турбины независимы друг от друга, т.е. не связаны механически и могут вращаться с различными угловыми скоростями. На одном конце внешнего вала 3 закреплено рабочее колесо 4 центробежного насоса, а на противоположном его конце - рабочее колесо 17 первой турбины 15. На одном конце внутреннего вала 11 установлен шнек 14, а на противоположном конце внутреннего вала 11 установлено рабочее колесо 18 второй турбины 16. Рабочие колеса 17 и 18 содержат рабочие лопатки 19 и 20 соответственно. Перед рабочими лопатками 19 и 20 закреплены соответственно сопловые аппараты 21 и 22. Рабочие лопатки 19 и 20 и сопловые аппараты 21 и 22 установлены в корпусе 23 турбин 2. Между первой турбиной 15 и второй турбиной 16 установлена диафрагма 24. Между корпусом 23 двух турбин 2 и внешним валом 3 в центральной части выполнена задняя полость 25, в которой установлена вторая турбина 16. Рабочее колесо 18 второй турбины 16 имеет меньший диаметр, чем рабочее колесо 17 первой турбины 15. Это необходимо для того, чтобы вторая турбина 16 получилась меньшей мощности, чем первая турбина 15.
К корпусу 10 центробежного насоса 1 подстыкованы входной корпус 26, имеющий полость 27, и выходной корпус 28, имеющий полость 29. Между корпусом 10 и центробежным рабочим колесом 2 выполнено переднее уплотнение 30. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 4 на его ступице 5 выполнены заднее уплотнение 31 и разгрузочная полость 32. Внутри ступицы 5 выполнена промежуточная полость 33. В ступице 5 центробежного колеса 4 выполнены внутренняя полость 34 и отверстия 35 (фиг.1 и 3). При этом отверстия 35 соединяют полость 8 с промежуточной полостью 33 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта в центробежное рабочее колесо 4. Отверстия 35 выполнены или под углом 90° (т.е. радиально фиг.3 и 4 или перпендикулярно к оси насоса, фиг.5), или под острым углом к оси насоса (т.е. под углом менее 90°). Это исключит движения вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства. На внутреннем валу 11 против промежуточной полости 33 выполнены радиальные отверстия 36. Внутренняя полость 34 радиальными отверстиями 36, выполненными во внутреннем валу 11, соединяет промежуточную полость 33 с полостью вала 37, выполненной внутри внутреннего вала 11.
Внутри отверстий 35 могут быть установлены центробежные регуляторы расхода 38 (фиг.4…5). Центробежные регуляторы расхода 38 выполнены с возможностью уменьшения расхода перекачиваемого продукта через них при увеличении скорости вращения внешнего вала насоса.
Конструкция центробежного регулятора расхода 38 приведена на фиг.4…6. Он содержит седло 39, клапан 40 со штоком 41 и поршнем 42. Внутри седла 39 установлена пружина 43, упирающаяся в поршень 42 и создающая усилие, направленное к оси насоса OO., т.е. открывающее центробежный регулятор расхода 38. В поршне 42 выполнены отверстия 44 (фиг.6) для возврата части расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4.
Внутри внешнего вала 3 между центробежным насосом 1 и двумя турбинами 2 выполнена задняя полость 45, уплотненная внутренним уплотнением 46. В этой полости установлен подшипник 13 (фиг.1). Между центробежным насосом 1 и двухступенчатой турбиной 2 установлено внешнее уплотнение 47, которое отделяет подшипник 9 от обеих турбин 2. Радиальные отверстия 48 выполнены во внутреннем валу 11 и соединяют полости 45 и 37 для смазки подшипников 9 и 13. Радиальные отверстия 49 выполнены во внешнем валу 3. Подшипник 9 установлен в корпусе 50. Обе турбины 2 имеют присоединенные к корпусу 23 входной патрубок 51, выполненный со стороны центробежного насоса 1, и выхлопной патрубок 52, выполненный с противоположной стороны. К второй ступени турбины 16 подведены подводящий канал, имеющий отверстия 53, выполненные во внешнем валу 3, и полость 54 внутри этого вала. От второй турбины 16 отведен отводящий канал, имеющий отверстия 55, выполненные в цилиндрической стенке 56, и кольцевой зазор 57, соединяющий полость 58 между диафрагмой 24 и полостью 59 внутри патрубка 52. На рабочем колесе 17 первой турбины 15 со стороны насоса выполнена разгрузочная полость 60.
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 51 внутрь турбины 2 и проходит через сопловой аппарат 21, рабочие лопатки 19. Незначительная часть общего расхода газа (10…15%) поступает по отверстиям 53 в полость 54 и далее - в сопловой аппарат 22 и рабочие лопатки 20 второй турбины 16, раскручиваются внешний вал 3 с центробежным рабочим колесом 4 и внутренний вал 11 со шнеком 14. При этом внутренний вал 11 вращается в 3…4 раза с меньшей скоростью, чем внешний вал 3. Валы 3 и 11 вращаются в одну сторону, но с различными угловыми скоростями.. Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т.е. в полости 29, повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (5…7%) через заднее уплотнение 31 поступает в разгрузочную полость 32, проходит через подшипник 7, наклонные отверстия 49, радиальные отверстия 48 в полость 37 и через радиальные отверстия 36 поступает во внутреннюю полость 33 и далее в отверстия 35 и возвращается в полость 8 центробежного рабочего колеса 4.
Так как шнек 14 вращается с угловой скоростью, в 2…3 раза меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4, тем самым предотвращается кавитация на ее входе. Из-за пониженных оборотов самого шнека 14 кавитация на их входных кромках также исключается. Шнек 14 повышает давление в полости между шнеком 14 и центробежным рабочим колесом 4, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе в шнек 14. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на вход в шнек 14 и на вход в центробежное рабочее колесо 4 отсутствует, так как перепуск организован внутрь центробежного рабочего колеса 4. При наличии центробежного регулятора расхода 38 при увеличении скорости вращения рабочего колеса уменьшается относительный расход перекачиваемого продукта (в % от общего расхода), используемого для смазки. Естественно, что абсолютный расход утечек перекачиваемого продукта, используемого для смазки, не уменьшается, а остается прежним или немного увеличивается. Это происходит за счет того, что центробежные силы, действующие на клапан 40, увеличиваются, клапан 40 сжимает пружину 42, зазор между клапаном 40 и седлом 39 уменьшается.. Это позволит повысить КПД центробежного насоса 1 и одновременно улучшить его кавитационные свойства, так как ограничивает перепуск подогретого перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4 и препятствует уменьшению его объемного КПД.
При работе ТНА в разгрузочных полостях 32 центробежного насоса 1 и в разгрузочной полости 60 турбины 2 возникает пониженное давление перекачиваемого продукта и газа соответственно. Это способствует уменьшению осевых сил, действующих на внешний вал 3. Разгрузка осевых сил, действующих на внутренний вал 11, происходит из-за того, что осевые силы, действующие на шнек 14 и рабочее колесо 18 второй турбины 16, компенсируются.
Применение изобретения позволило:
1) значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека;
2) обеспечить разгрузку осевых сил внутреннего и внешнего валов;
3) спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимой по прочности;
4) предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе;
5) создать турбонасосный агрегат с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности.
1. Турбонасосный агрегат, содержащий корпуса, центробежный насос, содержащий, в свою очередь, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, шнек, две турбины, установленные в корпусе с входным и выхлопным патрубками и включающие сопловые аппараты и рабочие колеса, и внешний и внутренний валы, последний из которых установлен внутри внешнего вала на подшипниках, при этом рабочие колеса турбин установлены на внешнем и внутреннем валах, шнек установлен на внешнем валу, а рабочее колесо второй ступени турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо первой турбины, отличающийся тем, что обе турбины являются газовыми, рабочее колесо первой турбины установлено в задней полости, выполненной внутри корпуса турбины в его центральной части, а канал подвода газа ко второй турбине выполнен внутри внешнего вала и сообщает полость входного патрубка турбины с полостью перед второй турбиной, а канал отвода газа выполнен в виде кольцевой щели, соединяющей заднюю полость турбины с выхлопным патрубком турбины.
2. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что внутри ступицы выполнены внутренняя полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса.
3. Турбонасосный агрегат по п.2, отличающийся тем, что внутри сквозных отверстий установлены центробежные регуляторы расхода.
4. Турбонасосный агрегат по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что на заднем торце центробежного рабочего колеса и на переднем торце рабочего колеса первой турбины выполнены уплотнения, под которыми расположены разгрузочные полости.
