БУСТЕРНЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ЖРД Российский патент 1999 года по МПК F04D13/04 

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано преимущественно в ЖРД для обеспечения бескавитационной работы насосов основного турбонасосного агрегата (ТНА).

Бескавитационную работу насосов ТНА можно обеспечить либо увеличением давления рабочих жидкостей в баках, либо установкой отдельного подкачивающего бустерного насоса.

Увеличение давления рабочей жидкости в баках приводит к возрастанию толщины стенок и массы баков. Поэтому установка после баков бустерных насосов, обеспечивающих бескавитационную работу насосов основного ТНА, позволяет снизить величину давления наддува баков и их массу.

В современных ЖРД роль бустерных насосов выполняют либо струйные насосы (эжекторы), либо осевые лопаточные насосы. Применение эжекторов ограничено их малой напорной способностью при низком КПД (от 0,05 до 0,2).

Осевые лопаточные насосы по сравнению с эжекторами обладают более высокой напорной способностью и экономичностью. Поэтому в современных ЖРД для обеспечения бескавитационной работы насосов ТНА широко применяются бустерные насосные агрегаты (БНА) с осевым лопаточным насосом.

Известен БНА ЖРД, выполненный в виде единого блока и состоящий из осевого насоса и осевой гидравлической турбины.

Осевой насос включает в себя корпус насоса, спрямляющий аппарат, выполненный с корпусом насоса как единое целое, и рабочее колесо насоса. В корпусе насоса выполнен патрубок подвода в насос и патрубок отвода из насоса. В спрямляющем аппарате выполнен один ряд лопаток. Рабочее колесо насоса представляет собой втулку рабочего колеса насоса и лопасти рабочего колеса насоса, составляющие единое целое. Рабочее колесо насоса закреплено на валу насоса гайкой. В качестве опор вала насоса использованы шарикоподшипники, установленные в корпусе насоса. Один из шарикоподшипников зафиксирован в осевом направлении и исключает осевое перемещение вала насоса. Осевая гидравлическая турбина включает в себя шестиступенчатое рабочее колесо, выполненное с валом насоса как единое целое, шестиступенчатый сопловой аппарат, подводящий ресивер гидравлической турбины, выполненный с корпусом насоса как единое целое, каналы подвода жидкости к гидравлической турбине и канал отвода жидкости из гидравлической турбины (Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. 3-е изд., перераб. и доп., М., Машиностроение, 1986, 376 с., ил., рис. 3.68).

При работе БНА рабочая жидкость поступает в патрубок подвода в насос и подается рабочим колесом насоса через лопатки спрямляющего аппарата в полость отвода насоса. Крутящий момент к рабочему колесу насоса передается рабочим колесом гидравлической турбины, которое приводится во вращение жидкостью высокого давления, отбираемой за основным насосом ТНА и поступающей через подводящий ресивер и каналы подвода жидкости к гидравлической турбине. После рабочего колеса гидравлической турбины жидкость попадает в полость отвода насоса, где смешивается с потоком жидкости, протекающим через рабочее колесо насоса.

Указанный БНА обладает следующими недостатками:
1. Наличие двух самостоятельных составных частей - осевого насоса и гидравлической турбины ведет к увеличению габаритов и массы.

2. БНА не обеспечивает предварительное захолаживание конструкции ЖРД, работающего на криогенных компонентах.

Наиболее близким к изобретению является бустерный насосный агрегат ЖРД, содержащий корпус насоса с патрубком подвода, рабочее колесо насоса, осевую гидравлическую турбину, закрепленную на периферии лопастей рабочего колеса насоса, а в корпусе насоса со стороны патрубка подвода выполнено сопло подвода жидкости на гидравлическую турбину (Аринушкин Л.С. Авиационные центробежные насосные агрегаты. М., Машиностроение, 1967, с. 196-197, рис. 8.4).

Недостатком известного агрегата является то, что для обеспечения бескавитационной работы насосов ТНА в условиях "жесткого" запуска с высоким темпом набора давлений и оборотов ТНА раскрутка ротора БНА должна предварять раскрутку ротора ТНА, что невозможно обеспечить гидравлической турбиной БНА.

Задачей изобретения является обеспечение бескавитационной работы насосов ТНА при "жестком" запуске ЖРД.

Для достижения указанного технического результата в бустерном насосном агрегате ЖРД, содержащем корпус насоса с патрубком подвода, рабочее колесо насоса, осевую гидравлическую турбину, закрепленную на периферии лопастей рабочего колеса насоса, а в корпусе насоса со стороны патрубка подвода выполнено сопло подвода жидкости на гидравлическую турбину, со стороны, противоположной патрубку подвода, в насос установлена пусковая газовая турбина, а между указанной турбиной и насосом установлено разделительное уплотнение в виде импеллера и щелевого уплотнения.

Предлагаемый бустерный насосный агрегат представлен на фиг. 1-5. На фиг. 1 представлен общий вид БНА, на фиг. 2 - вид со стороны патрубка подвода в насос БНА, на фиг. 3 - разрез по сопловому аппарату БНА, на фиг. 4 - вид щелевого уплотнения БНА, на фиг. 5 - разрез по патрубку подвода жидкости на гидравлическую турбину.

Бустерный насосный агрегат состоит из осевого насоса 1, осевой гидравлической турбины 2, пусковой газовой турбины 3 и разделительного уплотнения 4. Осевой насос 1 включает в себя корпус 5 насоса, корпус 6 спрямляющего аппарата и рабочее колесо 7 насоса. В корпусе 5 насоса выполнен патрубок 8 подвода в насос и патрубок 9 отвода из насоса, а также патрубок 10 подвода жидкости на гидравлическую турбину 2. В корпусе 6 спрямляющего аппарата выполнены два ряда лопаток 11 спрямляющего аппарата, на периферии которых закреплена оболочка 12 спрямляющего аппарата. Рабочее колесо 7 насоса представляет собой втулку 13 рабочего колеса насоса и лопасти 14 рабочего колеса насоса, составляющие единое целое. Рабочее колесо 7 насоса выполнено с валом 15 насоса как единое целое. В качестве опор вала 15 насоса использованы шарикоподшипники 16, 17, установленные в корпусе 6 спрямляющего аппарата. Шарикоподшипник 16 зафиксирован в осевом направлении и исключает осевое перемещение вала 15 насоса. Осевая гидравлическая турбина 2 включает в себя рабочее колесо 18 гидравлической турбины, сопло 19 подвода жидкости на гидравлическую турбину и канал 20 отвода жидкости из гидравлической турбины. Рабочее колесо 18 гидравлической турбины представляет собой кольцевой лопаточный венец 21, закрепленный на периферии лопастей 14 рабочего колеса насоса со стороны выхода. Сопло 19 подвода жидкости на гидравлическую турбину выполнено в патрубке 10 подвода на гидравлическую турбину. Отвод гидравлической турбины представляет собой канал 20 в оболочке 12 спрямляющего аппарата, соединяющий полость 22 гидравлической турбины с полостью 23 отвода насоса. Пусковая газовая турбина 3 включает в себя патрубок 24 подвода пускового газа, полость 25 пускового газа, сопловой аппарат 26, рабочее колесо 27 пусковой турбины и корпус 28 отвода. Патрубок подвода 24 пускового газа и полость 25 пускового газа выполнены в корпусе 6 спрямляющего аппарата. Сопловой аппарат 26 представляет собой диск, закрепленный в корпусе 6 спрямляющего аппарата. В диске выполнены 10 каналов (сопел) 29 для подвода пускового газа на рабочее колесо 27 пусковой турбины. Рабочее колесо 27 пусковой турбины установлено на валу 15 насоса на шлицах и закреплено гайкой 30. Корпус 28 отвода представляет собой полусферический сборник 31 с выполненным в нем патрубком 32 отвода пускового газа. Корпус 5 насоса, корпус 6 спрямляющего аппарата и корпус 28 отвода соединены между собой шпильками 33. Для предотвращения утечек жидкости в разъемах между корпусами установлены манжеты 34. Разделительное уплотнение 4 представляет собой комбинацию импеллера 35 и щелевого уплотнения 36. Импеллер 35 представляет собой оребренный диск, закрепленный на валу 15 насоса с помощью резьбы. Ребра диска обращены в сторону щелевого уплотнения 36. С неоребренной стороны диска импеллера 35 установлена оребренная крышка 37, ребра которой обращены в сторону импеллера 35. Щелевое уплотнение 36 представляет собой корпус 38 щелевого уплотнения с закрепленной в нем вставкой 39. Шарикоподшипник 16, крышка 37 и щелевое уплотнение 36 представляют собой пакет, закрепленный в корпусе 6 спрямляющего аппарата гайкой 40.

При работе БНА рабочая жидкость поступает в патрубок 8 подвода в насос и подается рабочим колесом 7 насоса через лопатки 11 спрямляющего аппарата в полость 23 отвода насоса. Крутящий момент к рабочему колесу 7 насоса передается рабочим колесом 18 гидравлической турбины. Рабочее колесо 18 гидравлической турбины приводится во вращение жидкостью высокого давления, поступающей из основного ТНА через сопло 19 подвода жидкостью на гидравлическую турбину. После рабочего колеса 18 гидравлической турбины жидкость через канал 20 отвода жидкости из гидравлической турбины поступает в полость 23 отвода насоса, где смешивается с потоком жидкости, протекающим через рабочее колесо 7 насоса.

При запуске и захолаживании двигателя, работающего на криогенных компонентах топлива, инертный газ (азот, гелий) из баллона через патрубок 24 подвода пускового газа поступает в полость 25 пускового газа и далее через сопла 29 в сопловом аппарате 26 - на рабочее колесо 27 пусковой турбины. После рабочего колеса 27 пусковой турбины инертный газ собирается в полусферическом сборнике 31 и далее через патрубок 32 отвода пускового газа отводится наружу. Крутящий момент, развиваемый рабочим колесом 27 пусковой турбины, через вал 15 насоса передается рабочему колесу 7 насоса.

При работе БНА давление в полости 41 насоса превышает давление в полости 42 пусковой газовой турбины. Рабочая жидкость движется в сторону низкого давления и заполняет полость 43 импеллера. При вращении импеллера 35 жидкость также начинает вращаться. Возникающая при этом центробежная сила уравновешивает силу давления, что исключает утечку.

Для предотвращения утечки жидкости в залитом БНА при невращающемся роторе установлено щелевое уплотнение 36.

Благодаря совмещению рабочего колеса 18 гидравлической турбины с рабочим колесом 7 насоса, уменьшены габариты и масса, упрощена конструкция БНА.

Благодаря наличию пусковой газовой турбины 3, БНА обеспечивает подачу рабочей жидкости с заданным давлением при запуске двигателя и при его предварительном захолаживании.

Импеллер 35 и щелевое уплотнение 36 обеспечивает минимальную утечку жидкости из полости 41 насоса в полость 42 пусковой газовой турбины.

Использование предлагаемого изобретения не требует применения новых технологий, специальных приспособлений и не увеличивает трудоемкость изготовления БНА.

Устройство относится к области насосостроения и может быть использовано преимущественно в ЖРД для обеспечения бескавитационной работы насосов основного турбонасосного агрегата. Бустерный насосный агрегат состоит из осевого насоса 1, осевой гидравлической турбины 2, пусковой газовой турбины 3 и разделительного уплотнения 4. Осевая гидравлическая турбина 2 включает в себя рабочее колесо 18 гидравлической турбины, сопло 19 подвода жидкости на гидравлическую турбину и канал 20 отвода жидкости из гидравлической турбины. Рабочее колесо 18 гидравлической турбины закреплено на периферии лопастей 14 рабочего колеса насоса. Сопло 19 подвода жидкости на гидравлическую турбину 2 выполнено в патрубке 10 подвода на гидравлическую турбину. Со стороны, противоположной патрубку 8 подвода, установлена пусковая газовая турбина 3. Разделительное уплотнение 4 представляет собой комбинацию импеллера 35 и щелевого уплотнения 36 и установлено между турбиной 3 и насосом 1. Агрегат обладает меньшими габаритами и улучшенными массовыми характеристиками ввиду конструктивного совмещения осевой газовой турбины и осевого насоса. Применение БНА позволяет обеспечить предварительное захолаживание конструкции ЖРД, работающего на криогенных компонентах, а также при "жестком" запуске ЖРД с высоким темпом набора давлений и оборотов ТНА. 5 ил.

Бустерный насосный агрегат ЖРД, содержащий корпус насоса с патрубком подвода, рабочее колесо насоса, осевую гидравлическую турбину, закрепленную на периферии лопастей рабочего колеса насоса, а в корпусе насоса со стороны патрубка подвода выполнено сопло подвода жидкости на гидравлическую турбину, отличающийся тем, что со стороны, противоположной патрубку подвода в насос, установлена пусковая газовая турбина, а между указанной турбиной и насосом установлено разделительное уплотнение в виде импеллера и щелевого уплотнения.