Турбонасосный агрегат
Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в том числе в ракетной технике. Агрегат содержит корпуса 10, 18-20, 22, 23, насос 1 и газовую турбину 2. Насос 1 содержит шнек 11, центробежное рабочее колесо 4 со ступицей 5, имеющей внутреннюю полость 27, установленное на валу 3, который установлен в подшипнике 9, защищенном уплотнением 31. Турбина 2 содержит, по меньшей мере, одну ступень с сопловым аппаратом 17 и рабочим колесом 15. Шнек 11 установлен на валу 3 с возможностью проскальзывания. Перед шнеком 11 установлена жестко соединенная с ним гидротурбина 12, а перед гидротурбиной 12 установлен дополнительный шнек 13, имеющий бандаж 14, жестко соединенный с центробежным рабочим колесом 4. Внутри ступицы 5 выполнены внутренняя полость 27 и сквозные отверстия 28, соединяющие внутреннюю полость 27 ступицы 5 с полостью 8 внутри колеса 4. Внутри сквозных отверстий 28 установлены центробежные регуляторы расхода 35. Изобретение направлено на улучшение кавитационных свойств насоса, входящего в состав турбонасосного агрегата, и обеспечение разгрузки осевых сил. 2 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 на криогенных компонентах.
Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ на изобретение №2094660, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса, 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.
Наиболее близким к изобретению является турбонасосный агрегат (ТНА) по патенту РФ на изобретение №2083881, содержащий корпуса, насос, содержащий, в свою очередь, шнек, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, газовую турбину, содержащую, в свою очередь, по меньшей мере, одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом.
Недостатками известного ТНА являются 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.
Задачей создания изобретения является улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил.
Технический результат достигается за счет того, что в турбонасосном агрегате, содержащем корпуса, насос, содержащий, в свою очередь, шнек, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, газовую турбину, содержащую, в свою очередь, по меньшей мере, одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, согласно изобретению шнек установлен на валу с возможностью проскальзывания, перед шнеком установлена жестко соединенная с ним гидротурбина, а перед гидротурбиной установлен дополнительный шнек, имеющий бандажную полку, жестко соединенный с центробежным рабочим колесом. Внутри ступицы могут быть выполнены внутренняя полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса. Внутри сквозных отверстий могут быть установлены центробежные регуляторы расхода.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6, где:
- на фиг.1 приведен чертеж турбонасосного агрегата;
- на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
- на фиг.3 - узел Б на фиг.1, первый вариант;
- на фиг.4 - то же, второй вариант;
- на фиг.5 - то же, третий вариант;
- на фиг.6 - конструкция поршня.
Турбонасосный агрегат (фиг.1) содержит насос 1 и турбину 2. Насос 1 выполнен центробежным, точнее шнекоцентробежным и содержит вал 3, который выполнен пустотелым. На 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. Вал 3 установлен на подшипнике 9. Насос выполнен в корпусе 10. На валу 3 со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 установлен с возможностью проскальзывания относительно вала 3 шнек 11. Перед шнеком 11 установлена гидротурбина 12, жестко соединенная с эти шнеком 11. Перед гидротурбиной 12 установлен дополнительный шнек 13, имеющий бандажную полку 14, жестко соединенную с центробежным рабочим колесом 4, точнее - с передней стенкой 7 для передачи крутящего момента с вала 3 на колесо 4 и далее на дополнительный шнек 13.
Турбина 2 может быть выполнена одноступенчатой или многоступенчатой. Далее приведен пример исполнения ТНА с одноступенчатой турбиной 2. Турбина 2 содержит закрепленное на валу 3 рабочее колесо 15 турбины с рабочими лопатками 16. Перед рабочими лопатками 16 закреплен сопловой аппарат 17. Турбина 2 имеет передний корпус 18, задний корпус 19 и соединительный корпус 20, выполненный между насосом 1 и турбиной 2.
К переднему корпусу 18 подстыкованы входной корпус 21, имеющий полость 22, к заднему корпусу 19 подстыкован выходной корпус 23, имеющий полость 24. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 4 на его ступице 5 выполнены заднее уплотнение 25 и разгрузочная полость 26. В ступице 5 центробежного колеса 2 выполнена внутренняя полость 27 и отверстия 28 (фиг.1 и 3). При этом отверстия 28 соединяют полость 6 с внутренней полостью 27 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта в центробежное рабочее колесо 4. Отверстия 27 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 валу 3 против внутренней полости 27 выполнены радиальные отверстия 29, которые соединяют полость 27 с полостью 30 вала 3. Подшипник 9 уплотнен уплотнением 31. Между подшипником 9 и уплотнением 31 сформирована полость 32, которая радиальными отверстиями 33, выполненными внутри вала 3, соединена с полостью 30. В передней части центробежного рабочего колеса 3 может быть установлено переднее уплотнение 34.
Внутри отверстий 28 могут быть установлены центробежные регуляторы расхода 35 (фиг.4…5), центробежные регуляторы расхода 35 выполнены с возможностью уменьшения расхода перекачиваемого продукта через них при увеличении скорости вращения внешнего вала насоса.
Конструкция центробежного регулятора расхода 35 приведена на фиг.4…6. Он содержит седло 36, клапан 37 со штоком 38 и поршнем 39. Внутри седла 36 установлена пружина 40, упирающаяся в поршень 41 и создающая усилие, направленное к оси насоса ОО, т.е. открывающее центробежный регулятор расхода 35. В поршне 30 выполнены отверстия 42 (фиг.6) для возврата части расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 2.
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 21 внутрь двухступенчатой турбины 2 и проходит через сопловой аппарат 17 и рабочие лопатки 16, раскручивается вал 3 с центробежным рабочим колесом 4 и с дополнительным шнеком 13. Давление за дополнительным шнеком 13 повышается. Поток перекачиваемого продукта относительно высокого давления раскручивает гидротурбину 13, которая раскручивает шнек 11. Шнек 11 повышает давление на входе в центробежное рабочее колесо 4, тем самым предотвращая кавитацию на его входе. Квитационные свойства шнеков всегда лучше, чем у центробежных рабочих колес. Для значительного улучшения кавитационных свойств шнека 11 он спроектирован так, чтобы работал с частотой вращения меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4 в 2…3 раза, что технически несложно за счет проектирования гидротурбины пониженной мощности. Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т.е. в полости 24, повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 25 поступает в разгрузочную полость 26, проходит через подшипник 9, уплотнение 31 в полость 32 и далее через радиальные отверстия 33 в полость 30, потом через радиальные отверстия 29 - в полость 27 и через отверстия 28 возвращается в полость 8 центробежного рабочего колеса 4.
Шнек 11 повышает давление в полости за шнеком 11. Перепуск подогретых утечек организован внутрь рабочего центробежного рабочего колеса 4. При наличии центробежного регулятора расхода 35 при увеличении скорости вращения рабочего колеса. Это позволит повысить КПД центробежного насоса 1 и одновременно улучшить его кавитационные свойства.
При наличии центробежного регулятора расхода 35 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 37, увеличиваются, клапан 37 сжимает пружину 39, зазор между клапаном 37 и седлом 36 уменьшается. Это позволит повысить КПД насоса 1 и одновременно улучшить его кавитационные свойства, т.к. ограничит перепуск подогретого перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4 и препятствует уменьшению его объемного КПД.
Применение изобретения позволило:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека.
2. Обеспечить разгрузку осевых сил вала.
3. Спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых 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, насос, содержащий, в свою очередь, шнек, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, газовую турбину, содержащую, в свою очередь, по меньшей мере, одну ступень с сопловым аппаратом и рабочим колесом, отличающийся тем, что шнек установлен на валу с возможностью проскальзывания, перед шнеком установлена жестко соединенная с ним гидротурбина, а перед гидротурбиной установлен дополнительный шнек, имеющий бандажную полку, жестко соединенную с центробежным рабочим колесом.
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.
