РОТОР ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА Российский патент 1998 года по МПК F01C21/02 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и других энергетических установках.

В современных ТНА ротор содержит вал, рабочие колеса турбины и насосов, установленные в корпусе на шарикоподшипниковых опорах. Возникающее при работе ТНА осевое усилие на роторе уравновешивается автоматическим разгрузочным устройством (АРУ). Однако при запуске ЖРД из-за повышенного перепада давлений на турбине на ротор действует осевое усилие, превышающее разгружающую способность АРУ.

Для высокоресурсного ТНА опоры ротора (или одна из опор) выполняются в виде блока сдвоенных однорядных шарикоподшипников.

Известен ротор, установленный на опорах, одна из которых состоит из блока сдвоенных однорядных шарикоподшипников, которые в осевом направлении поджаты упругими устройствами, выполненными в виде распорных колец и обеспечивающими равномерное распределение нагрузки между шарикоподшипниками (Г.Г.Гахун и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Машиностроение. 1989, с. 250, рис. 10.46 - прототип).

Недостатком указанной конструкции является то, что при возникновении на роторе осевого усилия, превышающего разгружающую способность АРУ, распределение нагрузки между шарикоподшипниками становится неравномерным и воспринимается одним из них, что может привести к снижению его долговечности и разрушению.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение нагрузки на шарикоподшипники, повышение долговечности и надежности опор ротора ТНА.

Поставленная задача решается тем, что в роторе турбонасосного агрегата, содержащем установленные в корпусе на опорах вал, рабочие колеса турбины и насосов, автоматическое разгрузочное устройство, причем одна из опор выполнена из блока сдвоенных однорядных шарикоподшипников, между наружными кольцами которых установлено упругое устройство, согласно изобретению упругое устройство выполнено в виде кольцевого упругого элемента и соединенного с ним основания, опирающегося на наружное кольцо из шарикоподшипников, и с опорными выступами, причем ротор содержит опорное кольцо, установленное на внешней поверхности кольцевого упругого элемента с зазором и опирающееся на наружное кольцо второго шарикоподшипника. Для обеспечения совместного восприятия осевых нагрузок обоими шарикоподшипниками осевой зазор между торцами основания кольцевого упругого элемента и опорного кольца выполнен равным осевому зазору шарикоподшипника. С целью исключения взаимного касания ротора о корпус минимальная величина осевого регулирующего зазора автоматического разгрузочного устройства превышает величину осевого зазора между торцами основания кольцевого упругого элемента и опорного кольца. Для подвода жидкости на охлаждение шарикоподшипников в корпусе выполнена проточка, а в опорном кольце - соединенные с ней каналы.

На фиг. 1 изображен ротор ТНА, на фиг.2 - кольцевой упругий элемент, на фиг. 3 - сечение А-А на фиг.2, где 1 - вал, 2 - рабочее колесо турбины, 3 - рабочее колесо насоса окислителя, 4 - рабочее колесо насоса горючего, 5 - корпус блока сдвоенных шарикоподшипников, 6 - шарикоподшипник насоса горючего, 7, 8 - шарикоподшипники, 9 - упругое устройство, 10 - кольцевой упругий элемент, 11 - основание, 13 - прорези, 14 - выступы, 15 - внешняя поверхность упругого элемента, 16 - опорное кольцо, 17 - упорный торец, 18 - ограничительный торец, 19 - каналы, 20 - кольцевая проточка, δ₁ - регулирующий зазор АРУ, δ₂ - осевой зазор между торцами основания и опорного кольца.

Ротор ТНА (фиг. 1) включает в себя вал 1, рабочее колесо турбины 2, рабочие колеса 3, 4 насосов окислителя и горючего. Основной диск рабочего колеса 3 насоса окислителя является элементом АРУ и образует своим торцом с торцом корпуса регулирующий зазор δ₁. Опора насоса окислителя выполнена из блока сдвоенных однорядных шарикоподшипников 7, 8. Между наружными кольцами шарикоподшипников 7, 8 установлены упругое устройство 9 и опорное кольцо 16.

Упругое устройство (фиг. 2) выполнено в виде кольцевого упругого элемента 10 с соединенным с ним основанием 11. Упругий элемент содержит прорези 13. Упругое устройство своим основанием 11 опирается на наружное кольцо шарикоподшипника 7. На торце кольцевого упругого элемента выполнены опорные выступы 14. Ротор содержит опорное кольцо 16, установленное на внешней поверхности 15 кольцевого упругого элемента 10 с зазором δ₂ и опирающееся на наружное кольцо второго шарикоподшипника 8. Осевой зазор δ₂ имеет величину, которая при сборке обеспечивается равной осевому зазору шарикоподшипника.

Корпус 5 блока сдвоенных шарикоподшипников ограничивает осевое перемещение наружных колец шарикоподшипников 7, 8 ротора упорным торцом 17 и ограничительным торцом 18. При сборке минимальная величина осевого регулирующего зазора δ₁ АРУ выполняется больше величины осевого зазора δ₂ между торцами основания и опорного кольца, при этом ротор смещается в сторону рабочего колеса турбины 2 до упора шарикоподшипника 7 в упорный торец 17.

Со стороны осевого зазора δ₂ на торце опорного кольца 16 выше внешней поверхности 15 упругого элемента выполнены каналы 19 для подвода охлаждающей жидкости. Выше осевого зазора δ₂ в корпусе 5 блока сдвоенных шарикоподшипников выполнена кольцевая проточка 20 для подвода охлаждающей жидкости.

При работе осевое усилие, действующее на ротор, уравновешивается АРУ и на шарикоподшипники не передается. Кольцевой упругий элемент 10 упругого устройства 9 смещает наружные кольца шарикоподшипников на величину осевых зазоров в шарикоподшипниках и обеспечивает равномерное распределение осевой нагрузки между ними.

Через кольцевую проточку 20, каналы 19 и прорези 13 подводится рабочая жидкость для охлаждения шарикоподшипников.

В процессе запуска ЖРД при пониженном давлении в камере ЖРД на рабочее колесо турбины 2 по направлению потока газа действует повышенное осевое усилие, которое не может полностью скомпенсировать АРУ. Наружное кольцо шарикоподшипника 7 перемещается до упорного торца 17. Далее при перемещении ротора происходит увеличение первоначально созданной при сборке осевой деформации кольцевого упругого элемента 10. В результате осевой деформации кольцевого упругого элемента уменьшается осевой зазор δ₂ между торцами основания и опорного кольца и выбирается осевой зазор шарикоподшипника 7. При упоре опорного кольца 16 в основание 11 (осевой зазор δ₂ равен нулю) осевую нагрузку, не скомпенсированную АРУ, воспринимают оба шарикоподшипника 7, 8. Благодаря этому на каждый шарикоподшипник действует осевое усилие в два раза меньшее усилия, действующего на ротор. Так как минимальная величина регулирующего зазора δ₁ АРУ превышает величину осевого зазора δ₂ между торцами основания и опорного кольца, при перемещении ротора в сторону рабочего колеса турбины исключается взаимное касание ротора о корпус в зоне АРУ.

Применение предложенного устройства для опоры ротора ТНА обеспечивает его работоспособность на всех режимах работы ЖРД, включая запуск, повышает надежность и долговечность опор.

Ротор предназначен для использования в турбонасосных агрегатах ЖРД. Он содержит вал 1, рабочее колесо турбины 2, рабочие колеса 3, 4 насосов окислителя и горючего, автоматическое разгрузочное устройство. Опора насоса окислителя выполнена из блока сдвоенных однорядных шарикоподшипников 7, 8, между наружными кольцами которых установлены упругое устройство 9 и опорное кольцо 16. Упругое устройство выполнено в виде кольцевого упругого элемента, соединенного с основанием, опирающимся на наружное кольцо одного шарикоподшипника. Упругий элемент, опирающийся на наружное кольцо второго шарикоподшипника, установлен с осевым зазором по отношению к опорному кольцу, величина которого равна осевому зазору шарикоподшипника. Минимальная величина зазора автоматического разгрузочного устройства превышает величину зазора между торцами основания упругого элемента и опорного кольца. В корпусе ротора выполнена кольцевая проточка 20, а в опорном кольце - каналы 19 для подвода охлаждающей жидкости. Использование устройства для опоры ротора обеспечивает его работоспособность на всех режимах работы ЖРД, включая запуск, повышает надежность и долговечность опор. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Ротор турбонасосного агрегата, содержащий установленные в корпусе на опорах вал, рабочие колеса турбины и насосов, автоматическое разгрузочное устройство, причем одна из опор выполнена из блока сдвоенных однорядных шарикоподшипников, между наружными кольцами которых установлено упругое устройство, отличающийся тем, что упругое устройство выполнено в виде кольцевого упругого элемента, соединенного с основанием, опирающимся на наружное кольцо одного шарикоподшипника, и с опорными выступами, причем ротор содержит опорное кольцо, установленное на внешней поверхности кольцевого упругого элемента с зазором и опирающееся на наружное кольцо второго шарикоподшипника. 2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что осевой зазор между торцами основания кольцевого упругого элемента и опорного кольца выполнен равным осевому зазору шарикоподшипника. 3. Ротор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что минимальная величина осевого регулирующего зазора автоматического разгрузочного устройства превышает величину осевого зазора между торцами основания кольцевого упругого элемента и опорного кольца. 4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что в корпусе выполнена проточка, а в опорном кольце - соединенные с ней каналы для подвода охлаждающей жидкости.