ИНДУКТОР ДЛЯ НАСОСА С БОЛЬШОЙ ВСАСЫВАЮЩЕЙ МОЩНОСТЬЮ Российский патент 2003 года по МПК F04D29/66 F04D9/04 F04D29/40 

Настоящее изобретение относится к индуктору для насоса с большой всасывающей мощностью, включающему картер, окружающий ротор индуктора, включающий множество лопаток, составляющих зазор с картером.

Известны различные типы насосов с большой всасывающей мощностью, или турбонасосы, например, предназначенные для наддува криогенных жидкостей, таких как эрголи, для ракетных двигателей.

Такие насосы снабжены первым входным роторным элементом, называемым индуктором.

При работе индуктора турбонасоса с повышенными расходными коэффициентами встречается явление сверхсинхронной кавитации.

Если ϕ обозначает коэффициент расхода машины, а ϕ_o обозначает коэффициент расхода, соответствующий точке адаптации индуктора (то есть, случай, когда течение входит в индуктор под средним углом, соответствующим углу лопаток в картере машины), различные индукторы американского, европейского и японского происхождения работают при расходах ϕ/ϕ_o, близких к 0,6. В этой рабочей зоне встречается явление сверхсинхронной кавитации. Это явление присутствует, в частности, в индукторе для жидководородного турбонасоса, соединенного с ракетным двигателем VULCAIN 1, а также в индукторе для жидкокислородного турбонасоса, соединенного с тем же ракетным двигателем VULСAIN 1.

Таким образом, при понижении давления на входе в индуктор наблюдается фаза крутящей кавитации, которая вызывает значительные вибрации и радиальные усилия на ось. Этот тип кавитации происходит из-за различных испарений жидкости в проходах между лопатками индуктора. Амплитуда этих вибраций является доминирующей при сверхсинхронной частоте Fs, составляющей величину порядка 1,2 частоты вращения F₀ машины, при этом сверхсинхронная частота Fs постепенно приближается к синхронной частоте F₀ по мере того, как продолжается понижение давления питания индуктора.

На фиг. 6 схематично показана кривая: 1ψ = f(τ), где ψ представляет безразмерное сверхдавление на входе в индуктор, τ - давление на входе в индуктор.

Отмечается, что эта кривая 1 состоит из почти горизонтальной части 10 и, при уменьшения давления τ, горбатой области 12 и области впадины 11, которая соответствует фазе вращающейся кавитации. Между горбом 10 и впадиной 11 существует область, где наклон кривой, определяемый dψ/dτ является отрицательным. В этой области имеется дестабилизация для полной системы линий и насоса. Часть 13 кривой соответствует падению характеристик при сверхдавлении индуктора, когда величина τ становится очень слабой.

Уже предлагалось, в частности, в опубликованной японской заявке 5-332300, изменить геометрию картера насоса вблизи индуктора, чтобы попытаться устранить сверхсинхронную полосу. В соответствии с этим, как показано на фиг. 2, внутренний диаметр передней части 24 картера постепенно по наклонной части 43 уменьшается выше (перед) лопатками 36 ротора 23 индуктора и в области 26 имеет величину D2 меньше диаметра D1 внутренней стенки части 27 картера, расположенной выше индуктора, диаметр D2 остается больше диаметра Dt ротора 23, образуя зазор J1 между внутренней цилиндрической частью картера 24 в области 26 и ротором 23 индуктора. Таким образом, зазор J2 между диаметром Dt ротора 23 и частью 27 картера диаметром D1 больше зазора J1 между ротором 23 и областью 26 картера и сохраняется на небольшом расстоянии d1 выше (перед) ротора индуктора 23. По этому известному способу зазор J2 вдвое больше зазора J1. Во всяком случае, испытания показали, что в этих условиях выполнение расширенной части внутреннего диаметра картера выше ротора недостаточно для избежания во всех случаях крутящей кавитации и устранения сверхсинхронной полосы.

Решение, предложенное в японской заявке JP-A-5 332 300, не позволяет надежным образом устранить вибрации, вызываемые явлением крутящей кавитации относительно картера или относительно ротора. Следствием этого остается риск повреждения деталей насоса, например, подшипников, и то, что давление жидкости на входе в насос должно оставаться выше минимальной величины, при которой может появиться явление крутящей кавитации. Таким образом, желательно уменьшить давление жидкости на входе в насос таким образом, чтобы давление жидкости, подаваемой к ракетному двигателю и остающейся в баке, было как можно более низким, чтобы облегчить и упростить механическую конструкцию бака хранения жидкости, соединенного с насосом, снабженным индуктором.

Известен индуктор для насоса с большой всасывающей способностью, содержащий картер, имеющий первую и вторую цилиндрические части внутренней стенки и окружающий ротор индуктора, имеющий множество лопаток. Первая цилиндрическая часть стенки, начинающаяся до передней кромки лопаток и частично перекрывающая лопатки ротора индуктора, образует с периферической частью лопаток зазор, превышающий зазор, образованный периферической частью лопаток со второй цилиндрической частью стенки картера (SU 1023138 - ближайший аналог). Известное устройство не решает задачу, связанную с устранением нестабильности кавитации при сохранении всасывающей мощности.

Задачей настоящего изобретения является устранение приведенных выше недостатков и изготовление индуктора для насоса большой всасывающей мощности, где будет устранена сверхсинхронная полоса во всем диапазоне работы индуктора с тем, чтобы избежать явления сверхсинхронной кавитации и уменьшить риск появления вибраций большой амплитуды.

Эта задача решается благодаря индуктору для насоса большой всасывающей мощности, имеющего картер, окружающий ротор индуктора, включающего множество лопаток, которые образуют зазор с картером. Данный индуктор отличается тем, что между периферийной частью лопаток и картером предусмотрен увеличенный зазор, величина которого больше величины нормального зазора, в области, которая пролагает одновременно в первой цилиндрической части внутренней стенки картера выше ротора индуктора и на участке внутренней стенки картера, прилегающей к этой первой цилиндрической части и охватывающей находящуюся выше часть ротора индуктора по расстоянию, начиная с передней кромки лопаток, ротора индуктора, и тем, что соотношение между величиной увеличенного зазора и величиной нормального зазора (зазора нормальной величины) больше 10.

Величина нормального зазора составляет от 0,4 до 1% радиуса периферической части лопаток индуктора.

В качестве примера, величина нормального зозора составляет от 0,4 до 0,9 мм, а величина увеличенного зазора - от 5 до 10 мм.

Расстояние, простирающееся вдоль оси ротора индуктора, начиная с передней кромки лопаток, составляет от 15 до 20% длины оси лопаток индуктора.

Другие характеристики и преимущества изобретения становятся понятными из нижеприведенного описания частных способов реализации изобретения, приведенных в качестве примеров, со ссылкой на чертежи, где:
- на фиг. 1 приведен схематичный вид, отображающий основную характеристику изобретения, связанную с геометрией картера, расположенного у ротора индуктора,
- на фиг. 2 показан схематичный вид, аналогичный фиг. 1, но показывающий геометрию картера, расположенного у ротора индуктора в соответствии с известными способами реализации изобретения,
- на фиг. 3 показан вид в осевом разрезе примера изготовления турбонасоса по известным способам, к которому применимо изобретение,
- на фиг. 4 показан увеличенный вид в осевом разрезе входной части насоса по фиг. 3, включающего индуктор,
- на фиг. 5 показан вид на конце входной части фиг. 4,
- на фиг. 6 показана кривая ψ = f(τ), иллюстрирующая развитие сверхдавления ψ индуктора (без размерности) в зависимости от давления τ на входе в индуктор, для классического насоса,
- на фиг. 7 на том же графике показаны три кривые ψ = f(τ), где две кривые соответствуют известному оборудованию индуктора, а третья кривая соответствует оборудованию индуктора по изобретению,
- на фиг. 8 показана область появления сверхсинхронной частоты в плоскости (ϕ/ϕ_o, τ), определяемая коэффициентом расхода ϕ/ϕ_o и давлением τ на входе в индуктор, для различных индукторов,
- на фиг. 9 показано развитие характерных частотных полос в зависимости от давления τ на входе в известный классический индуктор, в частности с появлением сверхсинхронных полос,
- на фиг. 10 показано развитие характерных частотных полос в зависимости от давления τ на входе в подобный индуктор, который снабжен оборудованием по изобретению, с конфигурацией по фиг. 1, с полным устранением сверхсинхронных полос, и
- на фиг. 11 показано развитие характерных частотных полос в зависимости от давления τ на входе в подобный индуктор, снабженный оборудованием по известным способам, таким как показано на фиг. 2, а именно с появлением сверхсинхронных полос.

Сначала, со ссылкой на фиг. 3 и 5, приведем пример индуктора, известного, в частности, из японской заявки 5-332 330 и применяемого в насосе 21 с большой мощностью всасывания, таком как, например, турбонасос для нагнетания в ракетный двигатель эрголя, например, жидкого водорода.

Насос 21 с большой мощностью всасывания состоит из крыльчатки 29, закрепленной на валу вращения 28, задняя часть которого имеет одно или несколько колес 31 турбины 30. Вал 28 установлен в картере корпуса 32 насоса с помощью, по меньшей мере, одного подшипника 46. Ротор индуктора 23 может включать, например, группу из трех лопаток 36 в виде винта, смонтированных на центральном элементе 35, соединенном передней частью с валом 34.

На концевой части входа 39 картера 24 могут быть предусмотрены фланцы 44 для крепления бака с жидкостью или магистрали подвода жидкости. Неподвижные лопатки 45, соединенные с картером 24, могут быть предусмотрены между ротором индуктора 23 и крыльчаткой 29.

Таким образом, турбонасос 21, показанный на фиг. 3, представляет индуктор 23, 24, расположенный классическим образом на входе непосредственно в насос, снабженный крыльчаткой 29, и снабженный структурой, направленной на предупреждение вибраций, вызываемых крутящей кавитацией. Для этого на входе картера, разделяющего пути течения в роторе, предусмотрена расширенная часть 27 с внутренним диаметром D1, превышающим внутренний диаметр D2 области 26, окружающей лопатки 36 ротора 23.

Путем различных сравнительных исследований установлено, что такая геометрия картера действительно способствует небольшому уменьшению сверхсинхронной крутящей кавитации, но не позволяет полностью устранить сверхсинхронную полосу и соответствующие радиальные вибрации.

Изобретение имеет другую геометрию картера, отличную от описанной на фиг. 2 - 5, и предлагает такую конфигурацию картера, которая позволяет надежно и полностью устранить сверхсинхронную полосу. Эта новая геометрия картера представлена на фиг. 1, что позволяет сравнить ее с известной геометрией, представленной на фиг. 2. Необходимо отметить, что изобретение представляет собой усовершенствованный индуктор, который может применяться с различными типами насосов с большой всасывающей мощностью и, следовательно, не ограничиваться конструкцией насоса, описанного в качестве примера со ссылкой на фиг. 3 - 5.

В конфигурации по фиг. 1 первая цилиндрическая часть 127 внутренней стенки картера 124, расположенная перед ротором индуктора 123, имеет диаметр, превышающий диаметр второй цилиндрической части 126 внутренней стенки картера 124, расположенной против лопаток 136 ротора индуктора 123. Область усеченно-конического перехода между первой и второй цилиндрической частями 127, 126 отсутствует (в противоположность области 43 по фиг. 2), а первая цилиндрическая часть 127 внутренней стенки картера 124 имеет продолжение в виде дополнительной цилиндрической части 127А с диаметром, равным диаметру цилиндрической части 127, вдоль участка d11, начинающегося на уровне передней кромки лопаток 136, таким образом, что образуется увеличенный зазор J12 не только перед ротором индуктора 123, но также вдоль участка d11, покрывающего расположенную выше часть ротора индуктора 123. При этом выдерживается соотношение между увеличенным зазором J12 между частями 127, 127А внутренней стенки картера 124 и периферической частью лопаток 136 индуктора, с одной стороны, и зазором нормальной величины J11 между частью 126 внутренней стенки картера 124 и периферической частью лопаток 136 индуктора больше 10. Зазор нормальной величины составляет от 0,4 до 1% от радиуса периферической части лопаток индуктора.

В качестве примера, зазор нормальной величины J11 может быть от 0,4 до 0,9 мм, а увеличенный зазор J12 составлять от 5 до 10 мм.

Обычно зазор J11 равен порядка 0,4 мм, тогда как зазор J12 - порядка 6 мм.

Расстояние покрытия d11, которое простирается вдоль оси ротора индуктора 23, начиная от передней кромки лопаток 136, может составлять от 15 до 20% осевой длины лопаток индуктора.

Таким образом, независимо от формы передней кромки, сверхсинхронная полоса может отсутствовать на всем расходном участке работы индуктора, если картер имеет описанную выше конструкцию с увеличенным зазором, распространяющимся на часть ротора на значительном расстоянии d11 и значительной величине соотношения J12/J11, то есть, выше 10.

На фиг. 10 показано изменение характерных частотных полос в зависимости от давления τ на входе в индуктор для турбонасоса, снабженного индуктором по изобретению. В нормальном положении частоте вращения F₀ машины соответствует полоса 61, а при малых давлениях - субсинхронная полоса 62. Необходимо отметить, что эта субсинхронная полоса 62, которой соответствует субсинхронная кавитация, появляется только в ограниченной области малых давлений и, таким образом, не привносит те же недостатки, что сверхсинхронные полосы известных индукторов.

В качестве примера на фиг. 9 и 11 показано изменение характерных частотных полос в зависимости от давления τ на входе в индуктор, для турбонасоса, снабженного известным индуктором с нормальным зазором, с одной стороны, и для турбонасоса, снабженного индуктором, описанным со ссылкой на фиг. 2 - 5, с другой стороны.

На фиг. 9 рядом с полосами 53, 54, 56, соответствующих частоте вращения F₀ машины и помех (шума) 55, расположенных вокруг этой частоты вращения F₀, видно множество других полос, соответствующих явлениям крутящей кавитации, вызывающих появление вибраций. Таким образом, наблюдается ярко выраженная сверхсинхронная полоса 57 с частотой Fs порядка 1,1-1,2 частоты вращения F₀. Сверхсинхронная полоса 57 присутствует в области относительно высоких и протяженных входных давлений τ, что очень мешает на практике. Полосы 59, 60 также появляются на фиг. 11 с удвоенной частотой по сравнению с частотой вращения F₀. Другие мешающие полосы 51, 58, соответствующие сочетанию частоты вращения F₀ и сверхсинхронной частоте Fs, также появляются на диаграмме фиг. 9. Таким образом, полоса 51 соответствует частоте, равной 4 (Fs-F₀). Отмечается также субсинхронная полоса 52.

На фиг. 11 также отчетливо видна сверхсинхронная полоса 77 в области относительно высоких и протяженных входных давлений, рядом с группой других соединенных полос с 72 по 76 и с 78 по 80, анализ которых может быть сделан аналогично полосам 52-56 и 58-60 по фиг. 9.

Сравнивая фиг. 10 и фиг. 9 и 11, можно видеть, как уменьшаются источники вредной вибрации при применении конфигурации картера по изобретению.

Впрочем, если рассмотреть кривую ψ = f(τ) по фиг. 7 и при установлении подобной кривой в случае с турбонасосом, снабженным индуктором по изобретению (кривая 301), с одной стороны, и в случае турбонасоса по известному способу, имеющему нормальный зазор (101), с другой стороны, а также в случае турбонасоса, конфигурация картера которого соответствует представленной на фиг. 2 - 5 (кривая 201), можно отметить, что кривые 101 и 201 сохраняют конфигурацию кривой 1 по фиг. 6, после простой части 110, 210 с углублением 111, 211, затем с выпуклостью 112, 212, предшествующих падению 113, 213, при уменьшении давления τ на входе в индуктор.

Напротив, кривая 301, соответствующая индуктору по изобретению, показывает, что при уменьшении давления τ на входе в индуктор, кривая представляет плато 310, которое продолжается без выпуклости до маленького значения до уменьшения кривой. Таким образом, не существует больше области, где наклон кривой, определяемый dψ/dτ, является отрицательным, что является гарантией лучшей стабильности системы, состоящей из насоса и линий питания и нагнетания. Это сочетание полости картера, ограниченной участком 127А и покрывающей часть лопаток 136, и повышенной величины соотношения J12/J11 позволяет исключить сверхсинхронную кавитацию на всем участке полезного расхода.

Если ϕ является коэффициентом расхода машины, отмечено, что явление сверхсинхронной кавитации ограничивается в плоскости (ϕ, τ) (фиг. 8).

Таким образом, при повышенной величине τ, кавитация отсутствует или незначительна (что соответствует части в виде плато кривых по фиг. 6 и 7), а если τ представляет величину, достаточно близкую к границе, допустимой индуктором, появляется ресимметризация различных каналов с лопатками индуктора с сильно развитой кавитацией, которая сопровождает неизбежное падение характеристик по сверхдавлению индуктора (которая соответствует опускающейся части кривых по фиг. 6 и 7).

Впрочем, в случае изменения расходного коэффициента ϕ машины, появляется точка минимального расхода, ниже которой исчезает сверхсинхронная кавитация. Также существует точка максимального расхода, за которой исчезает кавитация.

На фиг. 8 показаны различные области, отмеченные REF и В, которые соответствуют геометрии картера с нормальным зазором и геометрии картера по фиг. 2, с различными значениями для параметров J1, J2 и d1, которые приведены в таблице.

На фиг. 8 не появляется области, соответствующей индуктору, представляющему геометрию картера по изобретению (фиг. 1), например, с параметрами J11= 0,4 мм, J12=6 мм и d11=12 мм с момента устранения сверхсинхронной полосы.

Изобретение относится к индуктору - предвключенному ротору насоса большой всасывающей мощности. Индуктор содержит картер, имеющий первую и вторую цилиндрические части внутренней стенки и окружающий ротор индуктора с множеством лопаток. Первая цилиндрическая часть стенки, начинающаяся до передней кромки лопаток и частично перекрывающая лопатки ротора индуктора, образует с периферической частью лопаток зазор, превышающий зазор, образованный периферической частью лопаток со второй цилиндрической частью стенки картера. Вторая цилиндрическая часть внутренней стенки картера непосредственно примыкает к ее первой цилиндрической части. Соотношение зазоров между периферической частью лопаток и, соответственно, первой и второй цилиндрическими частями стенки картера превышает 10. Изобретение направлено на устранение нестабильности кавитации при сохранении всасывающей мощности. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 11 ил.

1. Индуктор для насоса с большой всасывающей способностью, содержащий картер, имеющий первую и вторую цилиндрические части внутренней стенки и окружающий ротор индуктора, имеющий множество лопаток, причем первая цилиндрическая часть стенки, начинающаяся до передней кромки лопаток и частично перекрывающая лопатки ротора индуктора, образует с периферической частью лопаток зазор, превышающий зазор, образованный периферической частью лопаток со второй цилиндрической частью стенки картера, отличающийся тем, что вторая цилиндрическая часть внутренней стенки картера непосредственно примыкает к ее первой цилиндрической части, а соотношение зазоров между периферической частью лопаток и, соответственно, первой и второй цилиндрическими частями стенки картера превышает 10. 2. Индуктор по п. 1, отличающийся тем, что зазор, образованный периферической частью лопаток со второй цилиндрической частью стенки картера, составляет от 0,4 до 1% радиуса периферической части лопаток ротора индуктора. 3. Индуктор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что зазор, образованный периферической частью лопаток со второй цилиндрической частью стенки картера, составляет от 0,4 до 0,9 мм, а зазор, образованный периферической частью лопаток с первой цилиндрической частью стенки картера, составляет от 5 до 10 мм. 4. Индуктор по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что расстояние вдоль оси ротора индуктора, определяющее область перекрытия части лопаток ротора, начиная с передней кромки лопаток, первой цилиндрической частью стенки, составляет от 15 до 20% осевой длины лопаток ротора индуктора.