ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2011 года по МПК F04D13/04 F04D9/04 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в любых отраслях техники для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных включений, в том числе для перекачки криогенных жидкостей. Предпочтительно насос использовать в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей, в том числе на криогенных компонентах.

Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ на изобретение №2094660, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса, шнек, вал и опорные узлы в виде подшипников скольжения и качения. Насос имеет плохие кавитационные свойства.

Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, 10.03.1998. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, крыльчатку и шнек, установленные на валу. Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, так как он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. Шнек обеспечивает повышение кавитационных свойств насоса, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет с ним одинаковую угловую скорость вращения. Это не позволяет эксплуатировать насос на очень больших оборотах, например 40…100 тыс. об/мин, поэтому такие насосы в настоящее время не применяются.

Известен турбонасосный агрегат по патенту РФ №2300021, который содержит многоступенчатый центробежный насос и одноступенчатую турбину. Для уменьшения габаритов насос и турбина спроектированы на максимально допустимую по прочности частоту вращения ротора ТНА. При этом кавитационные качества насоса ухудшаются.

Наиболее близким к изобретению является турбонасосный агрегат (ТНА) по патенту РФ на изобретение №2083881, содержащий корпуса, шнекоцентробежный насос, содержащий в свою очередь центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на внешнем валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, двухступенчатую турбину, содержащую в свою очередь две ступени с рабочими колесами и сопловой аппарат.

Недостатками известного ТНА являются плохие кавитационные качества центробежного насоса, особенно при его работе на больших частотах вращения, а также плохая разгрузка осевых сил. При подводе газа в турбину со стороны, противоположной входу в насос, осевые силы, действующие на ротор турбины и ротор насоса, направлены в одну сторону, т.е. складываются по абсолютному значению.

Задачей создания изобретения является улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов.

Технический результат достигается за счет того, что в турбонасосном агрегате, содержащем корпуса, центробежный насос, содержащий в свою очередь центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на внешнем валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и турбину, содержащую в свою очередь две ступени с сопловыми аппаратами и рабочими колесами, согласно изобретению внутри вала на подшипниках установлен внутренний вал, рабочие колеса двухступенчатой турбины установлены соответственно на внешнем и внутреннем валах, турбина выполнена биротативной, с вращением рабочих колес в противоположные стороны, на внешнем валу перед центробежным рабочим колесом установлен шнек. Внутри ступицы центробежного рабочего колеса выполнены промежуточная полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса. Внутри сквозных отверстий могут быть установлены центробежные регуляторы расхода.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6, где:

на фиг.1 приведен чертеж турбонасосного агрегата;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - узел Б на фиг.1, первый вариант;

на фиг.4 - то же, второй вариант;

на фиг.5 - то же, третий вариант;

на фиг.6 - конструкция поршня.

Турбонасосный агрегат (фиг.1) содержит центробежный насос 1 и двухступенчатую турбину 2. Центробежный насос 1 содержит внешний вал 3, который выполнен пустотелым. На внешнем валу 3 установлено центробежное рабочее колесо 4. Центробежное рабочее колесо 4 содержит ступицу 5, лопасти 6, переднюю стенку 7 и полости 8 между лопастями 6 и передней стенкой 7. Внешний вал 3 установлен на подшипнике 9 в корпусе 10. Внутренний вал 11 проходит внутри ступицы 5 и установлен на радиальном и упорном внутренних подшипниках 12 и 13 соответственно. На внутреннем валу 9 со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 установлен шнек 14.

Двухступенчатая турбина 2 содержит первую и вторую ступени 15 и 16 соответственно, при этом эти ступени независимы друг от друга, т.е. не связаны механически и могут вращаться с различными угловыми скоростями в противоположном направлении. На противоположном конце внешнего вала 3 закреплено рабочее колесо 17 первой ступени 15 двухступенчатой турбины 2. На противоположном конце внутреннего вала 11 установлено рабочее колесо 18 второй ступени 16 турбины 2. Рабочие колеса 17 и 18 содержат рабочие лопатки 19 и 20 соответственно. Перед рабочими колесами 19 и 20 закреплены соответственно сопловые аппараты 21 и 22. Рабочие колеса 19 и 20 и сопловой аппарат 21 установлены в корпусе 22 двухступенчатой турбины 2.

К корпусу 10 подстыкованы входной корпус 23, имеющий полость 24. Между шнеком 14 и центробежным рабочим колесом образуется полость 25. К корпусу 10 также подсоединен выходной корпус 26 центробежного насоса 2, имеющий полость 27. Между корпусом 10 и центробежным рабочим колесом 4 выполнено переднее уплотнение 28. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 2 на его ступице 3 выполнены заднее уплотнение 29 и разгрузочная полость 30. Внутри ступицы 5 выполнена промежуточная полость 31. В ступице 5 центробежного колеса 4 выполнены внутренняя полость 32 и отверстия 33 (фиг.1 и 3). При этом отверстия 33 соединяют полость 8 с внутренней полостью 32 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта в центробежное рабочее колесо 4. Отверстия 33 выполнены или под углом 90° (т.е. радиально фиг.3 и 4 или перпендикулярно к оси насоса, фиг.5), или под острым углом к оси насоса (т.е. под углом менее 90°). Это исключит движения вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства. Во внутреннем валу 11 против промежуточной полости 31 выполнены радиальные отверстия 34. Промежуточная полость 31 радиальными отверстиями 34, выполненными во внутреннем валу 11, соединена с полостью 35, выполненной во внутреннем валу 11.

Внутри отверстий 33 могут быть установлены центробежные регуляторы расхода 36 (фиг.4, 5). Центробежные регуляторы расхода 36 выполнены с возможностью уменьшения расхода перекачиваемого продукта через них при увеличении скорости вращения внешнего вала насоса

Конструкция возможного варианта центробежного регулятора расхода 36 приведена на фиг.4…6. Регулятор содержит седло 37, клапан 38 со штоком 39 и поршнем 40. Внутри седла 37 установлена пружина 41, упирающаяся в поршень 40 и создающая усилие, направленное к оси насоса ОО, т.е. открывающее центробежный регулятор расхода 36. В поршне 40 выполнены отверстия 42 (фиг.6) для возврата части расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 2. Возможны и другие варианты исполнения.

Внутри внешнего вала 3 между центробежным насосом 1 и двухступенчатой турбиной 2 выполнена задняя полость 43, уплотненная с обеих сторон внутренними уплотнениями 44. В этой полости установлен подшипник 13 (фиг.1). Между центробежным насосом 1 и двухступенчатой турбиной 2 установлено внешнее уплотнение 45, которое отделяет подшипник 9 от турбины 2. Радиальные отверстия 46 выполнены во внутреннем валу 11 и соединяют полости 43 и 35 для смазки подшипников 9 и 13. Наклонные отверстия 47 выполнены во внешнем валу 3. Подшипник 9 установлен в корпусе 48 подшипника. Двухступенчатая турбина 2 имеет присоединенные к корпусу 23 входной патрубок 49, выполненный со стороны центробежного насоса 1 и выходной патрубок 50, выполненный с противоположной стороны.

При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 49 внутрь двухступенчатой турбины 2 и проходит через сопловой аппарат 21, рабочие лопатки 19, сопловой аппарат 22 и рабочие лопатки 20, раскручивается внешний вал 3 с центробежным рабочим колесом 4 и внутренний вал 11 со шнеком 14. При этом внутренний вал 11 вращается в 2…3 раза с меньшей скоростью, чем внешний вал 3. Валы 3 и 11 вращаются в противоположные стороны с различными угловыми скоростями. Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т.е. в полости 27, повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (5…7%) через заднее уплотнение 29 поступает в разгрузочную полость 30, проходит через подшипник 9, наклонные отверстия 47, радиальные отверстия 46 в полость 35 и через радиальные отверстия 34 поступает в полость 31, далее в отверстия 33 и возвращается в полость 8 центробежного рабочего колеса 4.

Так как шнек 14 вращается с угловой скоростью, в 2…3 раза меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4, предотвращается кавитация на его входе. Из-за пониженных оборотов самого шнека 14 кавитация на входных кромках лопастей 6 также исключается. Шнек 14 повышает давление в полости 25 между шнеком 12 и центробежным рабочим колесом 4, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе в колесо 4. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на входе в шнек 14 и на входе в центробежное рабочее колесо 4 отсутствует, так как перепуск организован внутрь рабочего центробежного рабочего колеса 4. Наличие центробежного регулятора расхода 36 позволяет повысить КПД центробежного насоса 1. Напор, создаваемый насосом, также повысится благодаря противоположному вращению шнека 14 и колеса 4.

Применение изобретения позволяет:

1) значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет уменьшения скорости вращения шнека;

2) обеспечить разгрузку осевых сил внутреннего и внешнего валов;

3) спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых по прочности;

4) предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе;

5) создать турбонасосный агрегат с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности за счет применения биротативной турбины.

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в том числе в ракетной технике. Агрегат содержит корпуса 10, 22, 23, 26, шнекоцентробежный насос, шнек 14 и турбину 2. Насос содержит центробежное рабочее колесо 4 со ступицей 5, имеющей внутреннюю полость 32, установленное на внешнем валу 3, который установлен в подшипнике 7, защищенном уплотнением 45. Турбина 2 содержит две ступени 15, 16 с сопловыми аппаратами 21, 22 и рабочими колесами 17, 18. Внутри вала 3 на подшипниках 12, 13 установлен внутренний вал 11. Турбина 2 выполнена биротативной. Рабочие колеса 17, 18 турбины 2 установлены соответственно на внешнем и внутреннем валах 3, 9, а шнек 14 - на внешнем валу 3. Изобретение направлено на улучшение кавитационных свойств насоса, входящего в состав турбонасосного агрегата, и обеспечение разгрузки внутреннего и внешнего валов от осевых сил. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Турбонасосный агрегат, содержащий корпуса, шнекоцентробежный насос, содержащий, в свою очередь, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на внешнем валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, двухступенчатую турбину, содержащую, в свою очередь, две ступени с рабочими колесами и сопловой аппарат, отличающийся тем, что внутри вала на подшипниках установлен внутренний вал, двухступенчатая турбина выполнена биротативной, т.е. с возможностью вращения рабочих колес в противоположные стороны, рабочие колеса турбины установлены соответственно на внешнем и внутреннем валах, а шнек установлен на внешнем валу.

2. Турбонасосный агрегат по п.1, отличающийся тем, что внутри ступицы выполнены промежуточная полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса.

3. Турбонасосный агрегат по п.2, отличающийся тем, что внутри сквозных отверстий установлены центробежные регуляторы расхода.