ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1997 года по МПК F04D13/02 

Изобретение относится к насосостроению жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и может быть использовано в авиационной, химической, вакуумной и других отраслях промышленности, где применяются многоступенчатые центробежные насосы, работающие при больших частотах вращения и реализующие высокие напоры. Работоспособность ТНА во многом определяется работоспособностью опор. В свою очередь, надежность и долговечность опор зависит от степени их нагруженности осевыми и радиальными силами.

В современных конструкциях турбонасосных агрегатов разгрузка роторов от осевых сил осуществляется устройством, называемым автоматом осевой разгрузки (АОР).

Надежность функционирования и разгружающая способность АОР зависит от способности ротора перемещается в осевом направлении на расчетную величину (гарантированный осевой ход) без передачи усилий на подшипники. При этом определенному диапазону по разгружающей способности АОР соответствует конкретная величина хода ротора.

Недостатки известных устройств следующие.

1. Зависимая от деформаций осевая фиксация ротора. Известные решения невозможно реализовать в многоступенчатых и крупногабаритных насосах, особенно это относится к ТНА, перекачивающим криогенные жидкости. Вследствие разности между силовыми и температурными деформациями корпусов и деталей ротора на участке от подшипника до пяты АОР изменяются первоначально установленные при сборке монтажные осевые зазоры между подшипником и упорами. При этом гарантированный осевой ход, определяемый зазором между подшипником и корпусом установленным при сборке агрегата, может быть полностью выбран к началу работы на стационарном режиме.

В результате этого за счет взаимодействия торца корпуса с торцом подшипника ротор смещается из равновесного положения. Возврат в равновесное положение ротора может произойти только после износа подшипника от воздействия осевой нагрузки на подшипник.

Таким образом, деформации вызывают изменение настройки автомата и уменьшение диапазона разгружающей способности АОР и, как следствие, ведут к изменению баланса осевых сил и перегрузке опор. Следовательно, для нормального функционирования автомата разгрузки и исключения осевых усилий на подшипнике необходимо обеспечивать при монтаже ход ротора больше хода автомата разгрузки на величину разности деформаций корпусов и ротора. Величины осевых силовых и температурных упругих деформаций крупногабаритных и сложных по конструкции ТНА могут достигать значительных величин (3-5 мм).

Повышенный ход ротора, обусловленный деформациями, требует увеличения осевых зазоров между ротором и статором.

Ввиду множества таких зазоров в ТНА с многоступенчатыми насосом и турбиной существенно увеличиваются осевые габариты и масса агрегата.

Кроме того, большой ход ротора приводит к значительным смещениям элементов проточной части ротора и статора в насосе и турбине, что ухудшает их гидравлические характеристики и пульсационное состояние потока. Величины деформации изменяются в зависимости от режимов работы ТНА. Это обстоятельство необходимо учитывать при оценке работоспособности агрегата, особенно многорежимного.

Способ уменьшения деформативности имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что уменьшение деформативности находится в обратной зависимости от толщины стенок корпусов, а следовательно, и массы агрегата.

Учитывая жесткие требования к массовым характеристикам в современном двигателестроении, этот путь практически невозможно реализовать полностью.

Износ пяты автомата вследствие касания ротора на нестационарных режимах работы.

Известен центробежный насос, содержащий корпус, ротор, установленный на подшипниках качания, осевой ход которого ограничен упорами, взаимодействующими с торцами наружного кольца подшипника, пята автомата разгрузочного устройства, отличается тем, что для уменьшения степени износа пяты при касании ротора она выполнена подпружиненной (Авторское свидетельство N 830010, кл. F 04 D 29/04, прототип).

Недостатком прототипа является то, что он допускает касание ротора в первоначальный момент о подпружиненную пяту автомата, например, при заполнении агрегата. Ротор в этот момент может находиться в любом положении, а в полостях насоса еще нет расчетных давлений, при которых касание ротора по пяте будет исключено. Следовательно, при осевых перекладах ротора подпружиненная пята будет касаться ротора и сможет лишь частично парировать удар в случае его появления. Наилучшим будет вариант, полностью исключающий перекладки ротора при заполнении полостей.

Таким образом устранить износ пяты конструкция, приведенная в прототипе, не позволяет, хотя и частично исключает ударный характер нагружения на нестационарных режимах работы. Для криогенных двигателей многоразовых включений конструкция, приведенная в прототипе, становится вообще неприемлемой. Настройка АОР осуществляется преимущественно так, чтобы избыточное осевое усилие на роторе было направлено в сторону пяты автомата. Это требование реализуется за счет выполнения уплотнений высокого давления по рабочим колесам крыльчаток на разных диаметральных уровнях по входу и выходу. При этом пята АОР является осевым фиксатором ротора, относительно которого ротор находится в равновесном положении. При заполнении полостей насоса в силу того, что в АОР давление еще не достигло расчетного значения ротор сдвигаться в направлении пяты, при этом возможно касание его о пяту и ее изнашивание. Для ТНА двигателей многоразового включения износ недопустим и особенно опасен для насосов, перекачивающих жидкий кислород.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, а также повышение надежности работы ТНА на стационарных и нестационарных режимах.

Поставленная цель достигается тем, что упоры размещены на крайних подшипниковых опорах и охватывают их с внешних торцов наружных колец, при этом торцевой зазор между подшипниковой опорой и упором выполнен меньше требуемого хода ротора, необходимого для обеспечения сбалансированности его по осевой нагрузке на режиме.

Для исключения возможных осевых перекладок и ударных нагрузок на подшипники при заполнении полостей агрегата ротор подпружинен в направлении пяты автомата, а между ротором и пятой автомата при осевом смещении ротора под нагрузкой в направлении пяты имеется гарантированный зазор. При этом пружина может быть установлена как в качестве самостоятельного элемента, а также могут быть использованы пружины, например, торцевого уплотнения. Использование пружин торцевого уплотнения имеет преимущества, заключающиеся в упрощении конструкции и улучшении ее технологичности. Осевой зазор между ротором и пятой при сборке обеспечивается регулированием положения одного из упоров при монтаже агрегата. Работоспособность агрегата на нестационарных режимах выхода и останова обеспечивается настройкой торцевого зазора между опорой и вторым упором.

С целью обеспечения плавного осевого перемещения ротора в любом направлении, создания дозированной осевой нагрузки на подшипники, регулирования жесткости опоры подшипниковая опора выполнена из сдвоенных подшипников, разнесенных в осевом направлении, и имеет жесткое дистанционное кольцо, установленное между внутренними кольцами подшипников, и пружину - между наружными кольцами, при этом осевой ход пружины выбран равным осевой игре подшипников.

Указанная совокупность признаков ТНА проявляет новые свойства, заключающиеся:
в использовании деформации корпусов для повышения работоспособности агрегата:
в регулировании жесткости опор осевой пружиной, что используется для повышения работоспособности АОР и опор.

На фиг. 1 изображена схема ТНА с многоступенчатым насосом и турбиной; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 узел II на фиг. 1.

Предлагаемый агрегат имеет: 1 гибкий ротор; 2 опору корпуса турбины; 3 опору корпуса насоса; 4 автоматическое разгрузочное устройство (АОР); 5 пяту АОР; 6 пружины торцового стояночного уплотнения; 7 корпус турбины; 8 торцевое стояночное уплотнение; 9 упор в корпусе турбины; 10 упор в корпусе насоса; 11 пяту торцевого уплотнения; 12 корпус насоса; 13 - упругодемпферный элемент (УДЭ); 14,15 пружины; 16 дистанционное кольцо; 17,18 гайки; А зазор, между ротором и пятой автомата разгрузки; Б - полость высокого давления торцевого уплотнения; В полость турбины; Г - торцевый зазор между упором и подшипниковой опорой; Д, Б, Ж полости.

ТНА состоит из корпуса турбины 7, корпуса насоса 12, соединенных между собой крепежными элементами, например болотами.

Ротор 1 через подшипниковые опоры 2 и 3, установленные на нем, опирается на упругодемпферные элементы 13, установленные в корпуса 7 и 12. Автомат осевой разгрузки ротора 4 состоит из подвижной пяты, выполненной на роторе 1, и неподвижной пяты 5 на корпусе турбины 7. Между ротором 1 и пятой 5 установлен зазор А. Ход ротора 1 ограничивается упорами 9 и 10. Между ротором и упорами установлен зазор Г. Полость турбины В отделяется от полости насоса Б стояночным торцевым уплотнителем 8, прижимающимся к пяте 11 ротора 1, пружинами 6. Подшипниковая опора 2, установленная в корпусе турбины 7, состоит из сдвоенных, специально подобранных по геометрическим параметрам подшипников, разнесенных в осевом направлении. Подшипниковая опора 3, установленная в корпусе насоса 12, аналогична по конструкции опоры 2.

Между подшипниками опор 2 и 3 по наружному кольцу устанавливаются пружины 14 и 15, между внутренними дистанционное кольцо 16.

Подшипники на роторе 1 закреплены гайками 17 и 18. Охлаждение подшипников 2 осуществляется компонентом за счет перетока его из полости Д в полость В, охлаждение подшипников 3 осуществляется перетоком компонента из полости Е в Ж.

При работе, например криогенного ТНА, предназначенного для многорежимного двигателя многократного включения, ротор 1 должен быть уравновешен на каждом заданном режиме работы от воздействия избыточных осевых нагрузок.

Для этого на каждом режиме работы ротор 1 должен иметь соответствующий гарантированный осевой ход. Кроме этого ТНА должен иметь минимальные износы по АОР 4 и 5, пяте торцевого уплотнения и опорам 2 и 3 на нестационарных режимах (заполнения агрегата при захолаживании, режимах пуска и останова), характеризующихся наличием несбалансированной осевой нагрузки на ротор 1, а также изменением ее направления. В собранном агрегате ротор 1 под действием пружин 6 через пяту торцевого уплотнения 11 смещен в сторону пяты автомата 5. Этим исключается переток рабочей жидкости в полость турбины В и обеспечивается более спокойный запуск и останов двигателя без забросов температуры и давления в полости турбины.

Установка и регулирование упора 9 осуществляется так, что между ротором 1 и пятой 5 обеспечивается гарантированный зазор А.

Это достигается тем, что при сборке агрегата ротор совместно с опорой 2 механически продавливается в направлении пяты 5 до взаимодействия опоры 2 с упором 9 под действием осевой нагрузки, воздействующей на него при заполнении полостей агрегата и слабом вращении ротора при захолаживании конструкции. В этот момент пружина 14 опоры 2 полностью выжимается, становится жесткой втулкой, а усилие через внутреннее кольцо, тела качения и наружные кольца замыкается на упоре 9 корпуса 7.

Зазор А начинается как сумма величин смещения ротора под нагрузкой и величины зазора, равного 0,2^+0,05 мм. При выходе на режим в процессе раскрутки ротора 1, нарастания давления за насосом и в полости Б торцевое уплотнение 8 отжимается от пяты 11 и в таком положении остается в течение работы на стационарном режиме.

При останове давление в полости Б падает и пружина 6 вновь прижимает торцевое уплотнение 8 к пяте 11. Во время работы, запуска и останова осевая нагрузка на ротор 1 может менять направление воздействия в сторону от пяты 5. При этом ограничение осевого хода ротора 1 в этот момент производится упором 10. Положение упора 10 и его регулирование осуществляется так, чтобы ограничить ход ротора 1 на нестационарных режимах работы до минимума. Это позволяет избежать воздействия на опоры 2 и 3 значительных осевых ударных нагрузок.

В этой связи между наружными кольцами подшипников 2 и 3 установлены пружины 14 и 15.

Установка пружин преследует следующие цели:
обеспечение плавного осевого перемещения ротора в любом направлении без передачи ударных нагрузок на подшипники;
создание дозированной осевой нагрузки на подшипники при работе на режиме;
регулирование жесткости опоры.

Усилия пружин 14 и 15 выбираются из условия отсутствия проскальзывания тел качения и создания равномерного вращения сепаратора, а также требуемой податливости опор 2 и 3.

При выборе рабочего диапазона оборотов с учетом надежной отстройки от критических оборотов гибкого ротора 1 в расчете учитывалась податливость опоры в целом. В свою очередь, податливость опор 2 и 3 зависит от жесткости упругодемпферных элементов, а также от жесткости подшипников.

Выбранная необходимая жесткость подшипников фиксируется пружинами 14 и 15. При этом рабочий диапазон осевых усилий, создаваемых пружиной, может составлять 50-400 кгс.

Как показывает опыт, верхний уровень нагрузок является практически предельным. Превышение его нежелательно, так как резко снижается долговечность подшипников по контактной усталости. Для конкретной описываемой конструкции усилие пружины 14 и 15 составляет ≈200 кгс.

Ход пружин 14 и 15 выбирается соизмеримым с величиной осевой игры в подшипниках.

Пружина с выбранным ходом работает как жесткая втулка. Это позволяет более равномерно нагружать оба подшипника опоры дозированной нагрузкой, а при появлении больших нерасчетных и кратковременно действующих нагрузках равномерно нагружать оба подшипника.

Установка сдвоенных подшипников 2 и 3, разнесенных в осевом направлении, позволяет воспринимать повышенные радиальные нагрузки на режиме, сохранять осевую центровку гибкого ротора 1 на упругодемпферных элементах 13.

Осевой ход ротора 1 складывается из торцевого зазора Г между опорой 3 и упором 10 и осевой игры подшипника (хода пружины 15).

Регулирование зазора Г осуществляется из условия гарантированного обеспечения осевой разгрузки ротора на промежуточных режимах и исключения ударного характера нагружения при выходе на промежуточные режимы. При сдвиге ротора 1 под нагрузкой, более или равной суммарному усилию пружин 15, 6, и усилия, необходимого для преодоления трения, в направлении упора 10 ход его в собранном агрегате составляет 1-1,5 мм. При работе ТНА на стационарном режиме для полной осевой разгрузки ротора 1 требуется ход 1,6-2,5 мм. Он обеспечивается тем, что вследствие упругих температурных и силовых деформаций корпусов упоры 9 и 10 совместно с корпусами раздвигаются и не препятствуют работе автомата, обеспечивая ротору требуемый ход. Фиксация ротора 1 в осевом направлении в этот момент осуществляется пятой автомата 5, к которой стремится ротор под действием избыточной осевой нагрузки и относительно которой остается в равновесном состоянии. При останове давление в полостях агрегата падает, упругая деформация корпусов исчезает и осевая фиксация ротора вновь переходит на упоры 9 и 10. Суммарные осевые деформации корпуса турбины 7 и насоса 12 в зоне упругих деформаций могут достигать 3-5 мм. Подпружиненный ротор 1 и установка пружин 14 и 15 позволяют также избежать ударных нагружений на опоры при транспортировании двигателя.

Таким образом, осевая фиксация ротора упорами при захолаживании агрегата, на нестационарных режимах работы ТНА и независимая от упоров фиксация его при работе на стационарных режимах, а также установка опор в виде сдвоенных подшипников, между наружными кольцами которых установлена пружина, имеющая осевой ход, равный осевой игре подшипников, а между внутренними кольцами жесткое дистанционное кольцо, повышает долговечность и надежность работы автомата осевой разгрузки ротора и подшипников опор на нестационарных и стационарных режимах работы; позволяет улучшить массовые характеристики агрегата за счет снижения металлоемкости корпусов, сохранения их осевых размеров, исключает возможность снижения диапазона разгружающей способности АОР. Конструкция ТНА с отличительными признаками разработана и испытана при длительных стендовых испытаниях двигателя.

Использование: в ракетной технике. Сущность изобретения: турбонасосный агрегат содержит корпус, ротор, установленный на подшипниковых опорах, ограничительные упоры, закрепленные на корпусе, один из которых взаимодействует с внешним торцом наружной обоймы одной из подшипниковых опор, а также автомат осевой разгрузки ротора. Второй упор размещен с внешней стороны наружной обоймы второй подшипниковой опоры, автомат осевой разгрузки расположен между упорами. Между пятой автомата осевой разгрузки и ротором выполнены зазоры, а сам ротор подпружинен в направлении пяты автомата. Подшипниковые опоры могут быть выполнены в виде сдвоенных подшипников, между наружными кольцами которых установлена пружина, а между внутренними - жесткое кольцо. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Турбонасосный агрегат, содержащий корпус, ротор, установленный на подшипниковых опорах, закрепленные на корпусе ограничительные упоры, один из которых взаимодействует с внешним торцом наружной обоймы одной из подшипниковых опор, и автомат осевой разгрузки ротора, отличающийся тем, что второй упор размещен с внешней стороны наружной обоймы второй подшипниковой опоры, автомат осевой разгрузки расположен между упорами, причем между вторым упором и наружной обоймой подшипниковой опоры, а также между пятой автомата осевой разгрузки и ротором выполнены зазоры, при этом сам ротор подпружинен в направлении пяты автомата. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что подшипниковые опоры выполнены в виде сдвоенных подшипников, между наружными кольцами которых установлена пружина, а между внутренними жесткое кольцо.