ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ПОДАЧИ ВОДОРОДА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК F02K9/48 

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) ЖРД и ЯРД для подачи водорода.

Известен турбонасосный агрегат для подачи водорода с основным насосом и бустерным насосом. Бустерный насос имеет привод газообразным водородом от турбины. В этом агрегате отводящий трубопровод бустерного насоса соединен со входом основного насоса, а подводящий трубопровод турбины с рубашкой охлаждения камеры сгорания.

(Г. Г. Гахун, В.И.Баулин, В.А.Володин и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М, Машиностроение 1989. Стр.94. Рис.5.7. - прототип).

Известный турбонасосный агрегат имеет следующие недостатки.

Для обеспечения кавитационной устойчивости основного насоса требуется применение высоконапорного бустерного насоса. Бустерный насос имеет коэффициент полезного действия (КПД) насоса и турбины ниже, чем у основного насоса. Обусловленная высоким напором мощность бустерного насоса в сочетании с пониженным КПД приводит к снижению экономичности системы подачи. Кроме того, для привода бустерного насоса требуется использование газовой турбины, что усложняет конструкцию и повышает массу бустерного насосного агрегата, ухудшает технические характеристики ТНА.

При подаче водорода без наддува бака необходимо обеспечить минимальные потери давления от бака до входа в бустерный насос, что достигается установкой бустерного насоса непосредственно на баке. Бустерный насос с высокой потребляемой мощностью обладает повышенной виброактивностью, а это неблагоприятно сказывается на динамической прочности бака. При давлении в баке, достаточном для бескавитационной работы бустерный насос может устанавливаться на двигателе.

Привод турбины газообразным водородом из рубашки охлаждения камеры сгорания приводит к необходимости выполнения достаточно сложной системы уплотнений для разделения полостей насоса и турбины, что усложняет конструкцию бустерного насоса.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и повышение антикавитационных качеств основного насоса, упрощение конструкции бустерного насоса и повышение надежности турбонасосного агрегата.

Поставленная цель достигается тем, что в турбонасосном агрегате, содержащем основной водородный насос, бустерный насос с приводом от турбины, отводящий трубопровод бустерного насоса и подводящий трубопровод турбины бустерного насоса, между отводящим трубопроводом бустерного насоса и входом в основной насос установлен подкачивающий насос с общим с основным насосом валом и с направляющим аппаратом, соединяющим выход рабочего колеса подкачивающего насоса со входом основного насоса, при этом подводящий трубопровод турбины соединен с проточной частью за рабочим колесом подкачивающего насоса. При этом для привода бустерного насоса используется не газовая, а гидравлическая турбина, что упрощает конструкцию бустерного насоса.

На фиг.1 показана конструктивная схема предлагаемого турбонасосного агрегата, где 1 основной насос, 2 бустерный насос, 3 подкачивающий насос, 4 вал, 5 оседиагональное колесо, 6 направляющий аппарат, 7 - крыльчатка, 8 шнек, 9 гидротурбина, 10 отводящий трубопровод, 11 - подводящий трубопровод гидротурбины, 12 бак.

Турбонасосный агрегат для подачи водорода состоит из основного насоса 1, бустерного насоса 2, подкачивающего насоса 3. Подкачивающий насос установлен на валу 4 основного насоса и содержит оседиагональное колесо 5 и направляющий аппарат 6. Напор и мощность подкачивающего насоса ниже напора и мощности основного насоса, благодаря чему, подогрев водорода в подкачивающем насосе значительно меньше, чем в основном насосе. Бустерный насос состоит из шнека 8 и гидротурбины 9, установленной на наружном диаметре шнека и имеет осевой вход. Благодаря использованию для привода бустерного насоса гидротурбины, отпадает необходимость использования узла разделительного уплотнения между насосом и турбиной. Выход бустерного насоса соединен отводящим трубопроводом 10 со входом подкачивающего насоса. Направляющий аппарат 6 соединяет выход оседиагонального колеса подкачивающего насоса и вход основного насоса. Подводящий трубопровод гидротурбины 11 соединяет вход гидротурбины с проточной полостью за рабочим колесом подкачивающего насоса. Основная часть подводящего трубопровода гидротубрины 11 установлена на внешней поверхности отводящего трубопровода 10 бустерного насоса, за счет чего подогретый в подкачивающем насосе водород захолаживается от холодного водорода. Благодаря этому на гидротурбину поступает жидкий водород, и исключается двухфазное течение водорода в гидротурбине, что повышает ее экономичность.

Подкачивающий насос может быть выполнен состоящим из шнека, крыльчатки и направляющего аппарата. При этом наружный диаметр крыльчатки подкачивающего насоса для снижения напора, а следовательно, и мощности подкачивающего насоса по сравнению с напором и мощностью основного насоса выполнен меньше наружного диаметра крыльчатки основного насоса, благодаря чему подогрев водорода в подкачивающем насосе существенно меньше, чем в основном насосе. Из-за небольших по сравнению с основным насосом осевых сил на крыльчатке подкачивающего насоса, ее можно выполнить без уплотнительного пояска по основному диску, а разгрузку от осевых сил осуществить за счет подбора диаметров уплотнительных поясков крыльчаток основного насоса. Отсутствие уплотнения по основному диску крыльчатки уменьшает величину утечек и дополнительно улучшает антикавитационные качества крыльчатки подкачивающего насоса.

В другом варианте турбонасосного агрегата поставленная цель достигается тем, что в турбонасосном агрегате, содержащем основной водородный насос, бустерный насос с приводом от турбины, отводящей трубопровод бустерного насоса и подводящий трубопровод турбины бустерного насоса, между отводящим трубопроводом бустерного насоса и входом в основной насос установлен автономный подкачивающий насос, состоящий из оседиагонального колеса, направляющего агрегата и турбины. При этом обороты и напор подкачивающего насоса меньше оборотом и напора основного насоса, а подводящий трубопровод турбины бустерного насоса соединен с проточной полостью подкачивающего насоса. Для привода бустерного насоса используется не газовая, а гидравлическая турбина, что упрощает конструкцию бустерного насоса.

На фиг.2 показана конструктивная схема предлагаемого трубонасосного агрегата, где 1 основной насос, 2 бустерный насос, 3 подкачивающий насос, 4 оседиагональное колесо, 5 направляющий аппарат, 6 шнек 7 - гидротурбина, 8 крыльчатка, 9 отводящий трубопровод, 10 подводящий трубопровод, 11 подводящий трубопровод гидротурбины, 12 бак. 13 насос окислителя.

Турбонасосный агрегат для подачи водорода состоит из основного насоса 1, бустерного насоса 2, подкачивающего насоса 3. Подкачивающий насос выполнен автономным, с приводом от собственной турбины и содержит оседиагональное колесо 4 и направляющий аппарат 5. Основной насос состоит из нескольких центробежных ступеней. Бустерный насос состоит из шнека 6 и гидротурбины 7, установленной на наружном диаметре шнека и имеет осевой вход. Благодаря использованию для привода бустерного насоса гидротурбины, отпадает необходимость использования узла разделительного уплотнения между насосом и турбиной. Выход бустерного насоса соединен отводящим трубопроводом 9 со входом подкачивающего насоса. Подводящий трубопровод основного насоса соединяет выход подкачивающего насоса и вход основного колеса. Подводящий трубопровод гидротурбины 11 соединяет вход гидротурбины с проточной полостью за рабочим колесом подкачивающего насоса. Основная часть подводящего трубопровода гидротубрины 11 установлена на внешней поверхности отводящего трубопровода 9 бустерного насоса, за счет чего подогретый в подкачивающем насосе водород захолаживается от холодного водорода. Благодаря этому на гидротурбину поступает жидкий водород, и исключается двухфазное течение водорода в гидротурбине, что повышает ее экономичность.

Использование автономных подкачивающего и основного насосов позволяет увеличить обороты и напор основного насоса.

При подаче водорода без наддува бака необходимо обеспечить минимальные потери давления от бака до входа в бустерный насос. В предлагаемой конструкции это достигается установкой бустерного насоса непосредственно на баке 12. Бустерный насос с малой потребляемой мощностью обладает пониженной виброактивностью, благодаря чему практически исключается воздействие бустерного насосного агрегата на конструкцию бака. При давлении в баке достаточном для бескавитационной работы бустерный насос может устанавливаться на двигателе.

Из-за пониженных по сравнению с основным насосом оборотов подкачивающего насоса к нему может быть присоединен насос окислителя.

Водород из бака 12 поступает на вход бустерного насоса, и с выхода бустерного насоса на вход подкачивающего насоса, и далее через оседиагональное колесо 5 и направляющий агрегат 6 на вход основного насоса. На вход гидротурбины по подводящему трубопроводу 11 подводится водород, отбираемый из проточной части за рабочим колесом подкачивающего насоса. Водород после выхода гидротурбины смешивается на выходе бустерного насоса с основным потоком водорода бустерного насоса.

Подкачивающий насос может быть выполнен состоящим из оседиагонального колеса, направляющего аппарата и крыльчатки. Подкачивающий насос может быть выполнен также в виде шнекоцентробежной ступени.

Подвод на привод гидротурбины из проточной части направляющего аппарата подкачивающего насоса слабо подогретого водорода и незначительный подогрев водорода в бустерном насосе из-за малой его мощности обеспечивают несущественный подогрев водорода, поступающего на вход подкачивающего насоса. Низкий подогрев водорода на входе в подкачивающий насос за счет снижения напора по сравнению с основным насосом обеспечивают высокие антикавитационные качества подкачивающего насоса. Поэтому для бескавитационной работы подкачивающего насоса достаточен перепад давлений, создаваемый бустерным насосом, не более 0,3 МПа.

Благодаря малой мощности бустерного насоса, обусловленной его малым напором, и связанной с этим малой виброактивности насоса, бустерный насос на баке исключает потери давления на входе в бустерный насос и позволяет применить прогрессивную схему подачи водорода без наддува бака. Бустерный насос с пониженной мощностью имеет пониженную массу.

Из-за пониженного напора подкачивающего насоса уменьшается температура и утечка водорода, поступающего на вход в рабочее колесо подкачивающего насоса, что улучшает его антикавитационные качества.

Применение данного турбонасосного агрегата повышает антикавитационные качества водородного насоса, снижает массу и повышает надежность конструкции.

Использование данного агрегата не требует освоения новых технологических процессов, специальных приспособлений и осуществляется известными приемами изготовления и сборки турбонасосных агрегатов.

Использование: в области ракетостроения, в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей и ядерных ракетных двигателей, для подачи водорода. Сущность изобретения: ТНА для подачи водорода состоит из основного насоса (ОН), бустерного насоса (БН), подкачивающего насоса (ПН). ОН состоит из нескольких центробежных ступеней. ПН устанавливается на валу ОН и содержит оседиагональное колесо и направляющий аппарат. БН состоит из шнека, и имеет осевой вход. Выход БН соединен отводящим трубопроводом со входом ПН. Направляющий аппарат соединяет выход оседиагонального колеса ПН и вход ОН. Подводящий трубопровод гидротурбины соединяет вход гидротурбины с проточной полостью за рабочим колесом ПН. В другом варианте ТНА для подачи водорода состоит из ОН, БН, ПН. ПН выполнен автономным, с приводом от собственной турбины. Выход БН соединен отводящим трубопроводом со входом ПН. Подводящий трубопровод ОН соединяет выход ПН и вход ОН. Подводящий трубопровод гидротурбины соединяет вход гидротурбины с проточной полостью за рабочим колесом ПН. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Турбонасосный агрегат для подачи водорода, содержащий основной водородный насос, бустерный насос с приводом от турбины, отводящий трубопровод бустерного насоса и подводящий трубопровод турбины бустерного насоса, отличающийся тем, что на входе в основной насос на его валу установлен подкачивающий насос, состоящий из оседиагонального колеса и направляющего аппарата, вход которого соединен с отводящим трубопроводом бустерного насоса, а выход через направляющий аппарат с входом основного насоса, а подводящий трубопровод турбины соединен с проточной полостью за рабочим колесом подкачивающего насоса. 2. Турбонасосный агрегат для подачи водорода, содержащий основной водородный насос, бустерный насос с приводом от турбины, отводящий трубопровод бустерного насоса и подводящий трубопровод турбины бустерного насоса, отличающийся тем, что между отводящим трубопроводом бустерного насоса и входом в основной насос установлен автономный подкачивающий насос, состоящий из турбины, оседиагонального колеса и направляющего аппарата, вход которого соединен с отводящим трубопроводом бустерного насоса, а выход с подводящим трубопроводом основного насоса, а подводящий трубопровод турбины бустерного насоса соединен с проточной полостью за рабочим колесом подкачивающего насоса. 3. Агрегат по п.2, отличающийся тем, что подводящий трубопровод турбины бустерного насоса соединен с отводящим трубопроводом подкачивающего насоса. 4. Агрегат по пп.2 и 3, отличающийся тем, что к подкачивающему насосу присоединен насос окислителя. 5. Агрегат по пп.1 4, отличающийся тем, что основная часть подводящего трубопровода турбины установлена на внешней поверхности отводящего трубопровода бустерного насоса.