НАСОС С ОСЕВЫМ БАЛАНСИРОВОЧНЫМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2015 года по МПК F04D29/41 

Область техники

Изобретение относится к осевой балансировке насоса, более конкретно турбонасоса, особенно предназначенного для космического двигателя.

Уровень техники

Известно, что роторы подобных насосов часто испытывают значительные осевые нагрузки вследствие разницы давлений на противоположных сторонах рабочих колес, нестабильности движения прокачиваемых текучих сред и, в некоторых случаях, влияния веса самого ротора или его части.

В связи с этим насосы обычно содержат устройства, позволяющие компенсировать осевые усилия, прикладываемые к ротору со стороны текучей среды.

Эти устройства обычно используют все поверхности на передней (относительно лопастей) стороне, а также на задней стороне центробежных рабочих колес в качестве поверхностей, по которым циркулирует текучая среда, чтобы компенсировать осевую составляющую сил, действующих на вращающиеся части. Известно, в частности, использование для осуществления осевой балансировки задней поверхности последнего центробежного рабочего колеса, именуемого по этой причине "балансировочным поршнем".

На фиг.1 и 2 иллюстрируется такое известное устройство балансировки осевой нагрузки, находящееся между рабочим колесом 11 и статором 12.

Турбонасос 8 по фиг.1 содержит вращающийся узел, расположенный вокруг центрального вала 26, имеющий укороченную длину и использующий единственное рабочее колесо 11 в виде импеллера, входящее в состав одноступенчатого центробежного насоса и установленное на валу 26, в его средней части, а также два турбинных рабочих колеса 22, установленных на валу 26, в его задней части.

Турбинные рабочие колеса 22, выступающие за задний конец вала 26, приводят его во вращение под воздействием потока горячего газа, направляемого на периферийные части этих колес 22 из входного проточного тракта 24 для газа.

На фиг.1 представлен импеллер 11 одноступенчатого насоса открытого типа с лопастями 6, на которые через всасывающий проточный тракт 2 подается рабочая текучая среда и которые нагнетают рабочую текучую среду под давлением через нагнетательный проточный тракт 3.

Рабочая текучая среда подается в осевом направлении через входную секцию 28 и сразу поступает во всасывающий проточный тракт 2 насоса.

Поскольку различные компоненты такого насоса хорошо известны, они (за исключением системы осевой балансировки насоса, часть которой показана на фиг.2) не требуют дополнительного описания.

Устройство для осевой балансировки (называемое также устройством балансировки осевой нагрузки) вращающегося узла выполнено заодно с импеллером 11 и содержит единственную заднюю балансировочную камеру 18, расположенную между задней частью рабочего колеса (импеллера) 11 и частью статора 12, и канал 20, соединяющий заднюю балансировочную камеру с проточным трактом для текучей среды.

Балансировочная камера - это камера, в которой под давлением находится текучая среда, причем воздействие этого давления на движущийся компонент (в данном случае ротор) обеспечивает регулировку и удержание положения этого подвижного компонента.

Часть текучей среды, поступающей в проточный тракт, отводится через канал 20, чтобы питать заднюю балансировочную камеру 18, расположенную у задней поверхности 16 рабочего колеса (импеллера) 11.

Передняя поверхность этого рабочего колеса воспринимает давление текучей среды, находящейся в проточном тракте 14, которое стремится сместить ротор 10 назад. С другой стороны, давление текучей среды, находящейся в задней балансировочной камере 18, стремится сместить ротор 10 вперед. Когда эти силы взаимно скомпенсированы в осевом направлении, достигается равновесие. Таким образом, усилие, действующее на ротор 10 со стороны текучей среды на уровне задней камеры 18, способно компенсировать осевые усилия, прикладываемые текучей средой на другие части ротора в различных фазах работы насоса.

Чтобы достичь такого равновесия и удерживать его, устройство для осевой балансировки модулирует давление питания задней камеры 18 за счет осевого смещения ротора:

Более конкретно, канал 20 для переноса текучей среды снабжен радиальным соплом 40, образованным между вращающейся стенкой 41, принадлежащей ротору 10 (т.е. его центробежному рабочему колесу 11), и противолежащей стенкой 42 статора 12, т.е. фиксированной стенкой насоса. Сечение канала для текучей среды, задаваемое радиальным соплом, зависит от осевых положений ротора и статора: оно увеличивается, когда ротор смещается назад (на фиг.2 это соответствует смещению рабочего колеса 11 вправо), т.е. когда увеличивается толщина слоя текучей среды, проходящей через канал 20. Это приводит к увеличению потока, поступающего в заднюю камеру, к повышению давления в этой камере и соответствующему увеличению силы реакции, действующей со стороны текучей среды на ротор и стремящейся продвинуть его вперед. И наоборот, если ротор 10 стремится сместиться вперед (с уменьшением слоя текучей среды), сила реакции уменьшается (за счет действия рассмотренного механизма в обратном направлении), заставляя ротор сместиться назад.

Следовательно, смещение ротора модулирует давление в задней балансировочной камере 18, так что ротор удерживается, по существу, в постоянном осевом положении. При этом трение в такой саморегулирующейся системе, удерживающей ротор в сбалансированном положении, является минимальным.

Однако в такой балансировочной системе сечение потока текучей среды является принципиально переменным, причем единственной степенью свободы, которую конструктор может использовать для регулирования создаваемого эффекта, и, следовательно, потери давления между входом и выходом указанного канала, является длина В радиального отрезка, по которому текучая среда поступает в сформированное в канале сопло. В данном случае длина В соответствует разности наружного и внутреннего радиусов частей, образующих сопло.

При этом увеличение длины В и, соответственно, размеров стенок ротора и/или статора может представляться нежелательным, поскольку насос очень чувствителен к деформации этих участков в связи с риском контакта между ротором и статором, который может привести к повреждениям.

Кроме того, увеличение длины В может оказаться недостаточным для создания падения давления, необходимого для уравнивания осевого усилия, особенно в случае одноступенчатого насоса с открытым центробежным рабочим колесом: в этом конкретном случае единственной поверхностью, по которой может циркулировать текучая среда, является "балансировочный поршень", расположенный на задней стороне рабочего колеса. В многоступенчатых насосах каждое рабочее колесо может вносить свой вклад в осевую балансировку насоса.

Если увеличение длины радиального сопла окажется недостаточным для компенсации осевых сил, известное альтернативное решение состоит в использовании смещенной с оси балансировочной пластины. Это, однако, приводит к повышению сложности насоса и его изготовления, а также к снижению его производительности. Кроме того, как следствие необходимого удлинения вала, увеличиваются размеры насоса в осевом и/или радиальном направлениях.

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая изобретением, состоит в преодолении названных недостатков путем создания насоса, содержащего статор, ротор, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо и установленный с небольшим осевым зазором, допускающим ограниченное осевое смещение ротора, и устройство для осевой балансировки, выполненное по меньшей мере на одном рабочем колесе ротора, через которое проходит проточный тракт для текучей среды (или которое предпочтительно, хотя и необязательно, имеет стенку, предпочтительно переднюю, вдоль которой проходит указанный проточный тракт). Данное устройство содержит для каждого связанного с ним рабочего колеса балансировочную камеру, сформированную между стенками указанного рабочего колеса и статора, и канал, сформированный между указанным рабочим колесом и статором и обеспечивающий отведение текучей среды из указанного проточного тракта в балансировочную камеру. Давление текучей среды в балансировочной камере или камерах способно компенсировать усилия, прикладываемые текучей средой к другим частям ротора, обеспечивая осевую балансировку ротора. Изобретение позволяет создать насос, устройство осевой балансировки в котором может быть изготовлено с применением обычных средств механической обработки и позволяет оптимизировать радиальные и осевые размеры насоса. Тем самым обеспечивается создание компактного насоса с высокой гидравлической производительностью.

Решение поставленной задачи достигнуто благодаря тому, что указанный канал содержит переднее и заднее сопла, изменяющиеся в осевом направлении насоса и расположенные между двумя соосными цилиндрическими стенками указанного рабочего колеса и статора, имеющих взаимное положительное, нулевое или отрицательное перекрытие, и промежуточную кольцевую камеру, образованную между стенками указанного рабочего колеса и статора, с входом и выходом, расположенными по направлению потока текучей среды соответственно за передним соплом и перед задним соплом указанного канала. Благодаря выполнению канала с кольцевой камерой, расположенной между двумя соплами, струя текучей среды проходит в промежуточную камеру и циркулирует в ней, что приводит к рассеянию кинетической энергии за счет создания завихрений. Это обеспечивает увеличенную потерю давления на каждой стороне канала. Термин "камера" в контексте изобретения указывает, что кольцевая камера отличается от переднего и заднего сопел большим проходным сечением, которое предпочтительно превышает проходное сечение сопел более чем в три раза. Соответственно, переднее и заднее сопла - это кольцевые части канала, имеющие поперечные сечения, наименьшие по отношению к остальным частям канала, или по меньшей мере меньшие, чем его среднее поперечное сечение. Данные сопла характеризуются как изменяющиеся в осевом направлении, поскольку их проходные сечения являются функциями осевых смещений ротора относительно статора. Примером подобного сопла является радиальный канал, расположенный между двумя взаимно параллельными круглыми соосными стенками, перпендикулярными оси вращения насоса. Взаимное сближение или удаление этих стенок вызывает пропорциональное уменьшение или увеличение поперечного сечения потока, текущего между ними.

Понятно, что противолежащие стенки переднего и/или заднего сопел могут иметь положительное, отрицательное или нулевое перекрытие, т.е быть расположенными с взаимным перекрытием или без него. Радиальное перекрытие имеет место, когда противолежащие поверхности, образующие сопло, по меньшей мере частично лежат напротив одна другой в направлении оси насоса (это означает, что перемещение ротора насоса в осевом направлении относительно статора может привести эти поверхности во взаимный контакт). И наоборот, отсутствие радиального перекрытия соответствует ситуации, в которой поверхности, образующие сопло, не могут рассматриваться как противолежащие в осевом направлении, даже если они является противолежащими, т.е. имеющими параллельные нормали (поскольку эти нормали ориентированы в противоположные стороны). Во всех случаях (при наличии или отсутствии радиального перекрытия) поверхности сопел расположены таким образом, что их взаимное осевое перемещение приводит к изменению проходного сечения сопла, т.е. канала между указанными поверхностями.

В одном варианте кольцевая камера является лишь слегка вытянутой в меридиональной плоскости, т.е. ее больший размер в этой плоскости меньше ее удвоенного меньшего размера. Такое выполнение способствует рассеянию энергии за счет завихрений.

Изобретение особенно эффективно применительно к насосам, предназначенным для прокачивания жидкого водорода. В таких насосах фактическая окружная скорость на периферии импеллера или импеллеров может превышать 400 м/с или даже 500 м/с.

Должно быть понятно, что в этих условиях любой нежелательный контакт между импеллером (импеллерами) и статором на периферии рабочих колес может привести к серьезным нежелательным последствиям. В этой связи важным фактором становится форма зоны отвода текучей среды, поскольку она расположена именно в той части насоса, в которой возможен контакт. Таким образом, преимуществом изобретения является обеспечение существенного падения давления в канале, который при этом имеет минимальные осевые и радиальные размеры, причем его наличие не приводит к недопустимому повышению производственных затрат.

Согласно варианту изобретения канал для отведения текучей среды выполнен, по существу, воздухонепроницаемым, за исключением своих входа и выхода для текучей среды соответственно через переднее и заднее сопла. Благодаря этому на участке между указанными входом и выходом канала не происходит никакого забора или отведения текучей среды. В частности, воздухонепроницаемой является промежуточная кольцевая камера за исключением своих входа и выхода, сообщающихся соответственно с передним и задним соплами, так что не существует иного пути обмена текучей средой, кроме как через переднее и заднее сопла.

Кроме того, в одном варианте переднее и заднее сопла взаимно смещены в радиальном направлении. Другими словами, эти сопла расположены на различных расстояниях от оси вращения насоса. Это позволяет выполнить устройство осевой балансировки компактным в осевом направлении, т.е. имеющим минимальный размер в направлении оси насоса. В частности, кольцевая камера может находиться в радиальном направлении между радиусом переднего сопла и радиусом заднего сопла (под радиусом сопла понимается радиус наименьшего сечения сопла).

Притом, что любые варианты сопел должны иметь протяженность в радиальном направлении, им можно придавать формы различных тел вращения вокруг оси насоса. Например, сопла могут быть выполнены коническими, с приданием образующим их противолежащим поверхностям рабочего колеса ротора и статора взаимно соответствующих геометрических профилей. Очевидно, что термин "противолежащие" указывает на то, что для каждого сопла соответствующие ему стенки рабочего колеса и статора расположены непосредственно напротив одна другой, тогда как оба сопла взаимно смещены в осевом и/или радиальном направлениях.

Благодаря присутствию в канале, вместо единственного радиального сопла, двух сопел, разделенных промежуточной камерой, при том же осевом зазоре потеря давления, обеспечиваемая каналом, увеличивается без увеличения радиальных размеров сопел.

Альтернативно, при заданной потере давления, обеспечивающей возможность балансировки ротора, выбор описанной конфигурации дает желательное увеличение осевого зазора между ротором и статором, что приводит к повышению функциональной безопасности для этих компонентов.

Повышается также компактность насоса в осевом и/или радиальном направлениях, прежде всего благодаря отсутствию упомянутой балансировочной пластины.

В одном из вариантов переднее и/или заднее сопло расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси насоса.

Желательно также, чтобы устройство балансировки осевых усилий могло быть связано с единственным импеллером. В этом случае оно будет пригодно и в случаях, когда ротор содержит единственный импеллер.

Вместе с тем, такое устройство можно будет с одинаковым успехом использовать и с ротором, содержащим несколько импеллеров.

В последнем случае рабочим колесом, связанным с устройством, может быть последнее (находящееся в задней части насоса) рабочее колесо, т.е. самое дальнее рабочее колесо по направлению движения текучей среды в насосе.

В качестве альтернативного решения устройство балансировки осевых усилий может быть связано по меньшей мере с двумя рабочими колесами, в частности со всеми рабочими колесами. Тем самым будет обеспечено более равномерное распределение усилий, действующих на ротор.

В заключение следует отметить, что принцип введения промежуточной камеры, разделенной радиальными соплами, может быть использован неоднократно. Согласно изобретению возможно, в частности, чтобы канал дополнительно содержал по меньшей мере еще одно промежуточное сопло, сформированное между двумя противолежащими соосными цилиндрическими стенками ротора и статора, и по меньшей мере еще одну дополнительную промежуточную кольцевую камеру, образованную между ротором и статором и распложенную по направлению потока за промежуточным соплом. При этом промежуточное сопло или промежуточные сопла и промежуточная кольцевая камера или промежуточные кольцевые камеры могут быть расположены последовательно (т.е. чередоваться) на траектории текучей среды между промежуточной кольцевой камерой и задним соплом.

Соответственно, результирующая конфигурация будет содержать группу последовательно расположенных промежуточных камер, разделенных радиальными соплами. При том же расходе текучей среды скачок давления, создаваемый в канале, в этом варианте может быть еще большим, чем в случае единственной промежуточной камеры.

Изобретение применимо, в первую очередь, при изготовлении турбонасосов для космического двигателя, в котором описанный насос связан с турбиной.

Краткое описание чертежей

Особенности и преимущества изобретения станут более понятны из приводимого далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, подробного описания его вариантов, представляемых в качестве неограничивающих примеров.

На фиг.1 представлен, в продольном разрезе, описанный выше центробежный насос, снабженный устройством балансировки осевой нагрузки.

На фиг.2 иллюстрируется, в разрезе, описанный выше канал для текучей среды в устройстве по фиг.1, имеющий известную конфигурацию.

На фиг.3 иллюстрируется, в разрезе, канал для текучей среды в устройстве для осевой балансировки насоса согласно первому варианту изобретения.

На фиг.4 иллюстрируется, в разрезе, канал для текучей среды в устройстве для осевой балансировки насоса согласно второму варианту изобретения.

На фиг.5 иллюстрируется, в разрезе, канал для текучей среды в устройстве для осевой балансировки насоса согласно третьему варианту изобретения.

Если какой-либо элемент приводится на нескольких фигурах в идентичной или схожей форме, его описание дается применительно к первой фигуре, на которой он появляется, тогда как на последующих фигурах ему присваивается обозначение, соответствующее первоначальному обозначению, увеличенному на 100, 200 и т.д. При этом описание элемента дается только один раз, а при рассмотрении последующих фигур оно сокращается или опускается.

Осуществление изобретения

На фиг.3-5 иллюстрируется устройство для осевой балансировки, предназначенное для использования в насосах, подобных представленному на фиг.1.

Далее будет описано, со ссылкой на фиг.3, функционирование устройства для осевой балансировки насоса согласно первому варианту изобретения.

На фиг.3 представлена, в разрезе, часть насоса, по существу, аналогичного представленному на фиг.1, т.е. одноступенчатого насоса, содержащего рабочее колесо 111 открытого типа. Однако устройство балансировки насоса по фиг.3 отличается от устройства, использованного в насосе по фиг.1.

Насос, проиллюстрированный фиг.3, содержит ротор (не изображен) и статор 112, а также устройство балансировки осевой нагрузки, содержащее, в частности, канал 120 для текучей среды, образованный между ротором и статором 112.

В насосе по фиг.3 устройство для создания осевого усилия расположено на задней стенке рабочего колеса-импеллера. Разумеется, должно быть понятно, что данное устройство можно с одинаковым успехом поместить на заднюю или на переднюю стенку рабочего колеса 111.

Канал 120 имеет переднюю осевую часть 130, примыкающую к проточному тракту для текучей среды и расположенную между двумя противолежащими, по существу, цилиндрическими (круглыми в сечении) стенками 131, 132 рабочего колеса 111 и статора 112 соответственно. Эта передняя осевая часть канала, расположенная по направлению потока текучей среды перед соплом 140 и образующая полость, обеспечивает желательное предварительное рассеяние кинетической энергии текучей среды, текущей через канал 120.

Непосредственно за осевой частью по направлению потока установлено переднее сопло 140, которое представляет собой ориентированный радиально отрезок указанного канала длиной В, расположенный между стенками 141 и 142 рабочего колеса и статора соответственно. Таким образом, на данном отрезке имеется эффективное перекрытие между поверхностями 141 и 142.

За передним соплом 140 находится промежуточная камера 150, имеющая кольцевую форму и расположенная между стенками 151, 152 рабочего колеса 111 и статора 112. Эта камера может быть сформирована различным образом в теле рабочего колеса и/или статора. Камера 150 является воздухонепроницаемой и имеет выходы только через переднее и заднее сопла.

Кольцевая камера 150 является короткой в радиальном направлении: ее длина в этом направлении соответствует менее одной десятой, более точно менее одной двадцатой радиуса рабочего колеса 111 на уровне переднего сопла.

Кроме того, данная камера имеет короткую длину и в осевом направлении, поскольку эта длина менее одной десятой, более точно менее одной двадцатой радиуса рабочего колеса 111 на уровне переднего сопла.

За этой промежуточной камерой 150 по направлению потока находится заднее сопло 160, расположенное между стенками 161 и 162 рабочего колеса и статора соответственно. В зоне этого сопла также имеется положительное перекрытие.

Радиальные переднее и заднее сопла задают соответственно равные или неравные осевые зазоры А101 и А102 между рабочим колесом 111 и статором 112.

При этом переднее и заднее сопла взаимно смещены в радиальном направлении: переднее сопло 140 находится на меньшем радиальном расстоянии от оси вращения насоса, чем заднее сопло 160. Радиальное расстояние между этими соплами равно отрезку, который разделяет стенки 151 и 152 ротора и статора соответственно и который равен радиальному размеру кольцевой камеры 150.

За задним соплом 160 находится задняя осевая часть 170 канала 120, которая расположена между двумя, по существу, цилиндрическими, круглыми в сечении, противолежащими стенками 171, 172 соответственно рабочего колеса 111 (связанного с устройством балансировки) и статора 112, расположенными, по направлению потока, за задним соплом 160.

Как и передняя осевая часть, задняя осевая часть канала 120 образует полость, обеспечивающую рассеяние кинетической энергии текучей среды, текущей через данный канал.

Хотя осевые передняя и задняя части канала 120 предпочтительно имеют форму круговых цилиндров (с осью, совпадающей с осью насоса), им можно придать и иные профили вращения вокруг оси насоса, например включающие сужающийся (для передней части) или расходящийся (для задней части) отрезок между противолежащими коническими поверхностями рабочего колеса 111 и статора 112 соответственно.

Далее будет описан второй вариант устройства для центробежного насоса по изобретению, представленный на фиг.4.

В данном варианте по меньшей мере одно рабочее колесо, связанное с устройством осевой балансировки (в рассматриваемом примере импеллер 211), является закрытым рабочим колесом, т.е. содержит передний диск 290, расположенный с передней стороны лопастей. Чтобы сделать возможной осевую балансировку в обоих направлениях вдоль оси насоса, устройство для осевой балансировки выполнено сдвоенным, т.е. содержащим первое средство осевой балансировки (в частности, первый канал 220), аналогичное (аналогичный) описанному со ссылкой на фиг.3, и второе средство осевой балансировки, действующее в противоположном направлении и установленное на стороне переднего диска.

В этом варианте различные элементы первого средства осевой балансировки, в частности канал 220, по существу, аналогичны элементам предыдущего варианта и поэтому не будут описываться более подробно.

Отличия этого первого средства, расположенного на задней стороне рабочего колеса-импеллера 211, от предыдущего варианта заключаются в следующем.

Прежде всего, переднее и заднее радиальные сопла 240, 260 расположены, по существу, в одной плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, тогда как в варианте по фиг.3 переднее сопло 140 и заднее сопло 160 слегка смещены вдоль оси вращения насоса. Такое выполнение, когда переднее и заднее сопла находятся в одной плоскости, упрощает механическую обработку поверхностей 241, 261 рабочего колеса и поверхностей 242, 262 статора. Кроме того, не происходит увеличения осевого размера устройства балансировки по сравнению с устройством осевой балансировки, показанным на фиг.1.

Можно отметить также, что промежуточная камера 250 выполнена только в теле статора. Поскольку эта камера может подвергаться быстрому износу и/или вибрациям, желательно, чтобы они концентрировались в статоре, а не во вращающейся части насоса.

На переднем конце задней осевой части 270 устройства, вблизи выходного конца заднего сопла 260, расположенного в канале 220, выполнена кольцевая камера 273. Поскольку текучая среда вынуждена циркулировать также в этой кольцевой камере 273, увеличивается потеря давления, имеющая место при прохождении текучей среды через канал 220. Аналогичная полость может быть создана симметрично в заднем по направлению потока конце передней осевой части 230, у входного конца переднего сопла 240.

Чтобы предотвращать смещение рабочего колеса 211 вперед, устройство для осевой балансировки содержит также второе средство осевой балансировки этого колеса.

Более конкретно, данное устройство содержит еще одну балансировочную камеру 288 (именуемую передней балансировочной камерой), которая расположена между передней стенкой переднего диска 290 и статором 212, второй канал 292, расположенный между передним диском и статором и позволяющий отводить текучую среду из проточного тракта 214 для текучей среды в переднюю балансировочную камеру 288. Второй канал 292 содержит переднее сопло 294 и сопло 296, расположенные между двумя противолежащими фланцами переднего диска 290 на передней стороне и статора 212 на задней стороне соответственно, а также промежуточную кольцевую камеру 298, расположенную между стенками диска 290 и статора 212. По направлению потока эта промежуточная камера 298 расположена за передним соплом 294 и перед задним соплом 296 второго канала 292.

Конструкция второго средства балансировки аналогична конструкции первого средства, но это второе средство работает в противоположном направлении относительно оси насоса. Благодаря такой конфигурации устройства для осевой балансировки с двумя средствами балансировки, действующими в противоположных направлениях и размещенных на двух сторонах рабочего колеса, осевые смещения ротора компенсируются в обоих направлениях. Очевидно также, что устройство балансировки согласно изобретению, содержащее средства балансировки в обоих направлениях, может быть установлено на одно или более закрытых рабочих колес.

Далее, будет описан третий вариант устройства балансировки для центробежного насоса, представленный на фиг.5.

В данном варианте различные элементы средств осевой балансировки, в частности канал 320, по существу, аналогичны соответствующим элементам первого варианта, и поэтому не будут описываться более подробно.

Главная особенность третьего варианта по сравнению с первым вариантом состоит в отсутствии радиального перекрытия между поверхностями переднего и заднего сопел 340, 360.

В этом варианте для сопел 340 и 360 отсутствует радиальное перекрытие. Фактически, для каждого из этих сопел образующие их поверхности 341, 361 и 342, 362 ротора и статора соответственно не имеют противолежащих им поверхностей в направлении оси насоса. Более конкретно, поверхности 341 и 342, образующие переднее сопло 340, отстоят друг от друга в радиальном направлении на расстояние С, тогда как поверхности 361 и 362, образующие заднее сопло 360, разделены радиальным расстоянием D. Преимуществом данной конфигурации является то, что, поскольку поверхности сопел не имеют общих радиальных участков или, другими словами, они взаимно смещены в радиальном направлении, осевые перемещения ротора относительно статора не могут привести к контакту между ротором и статором. Это свойство может быть абсолютно необходимым в случаях, когда такой контакт может вызвать нагрев насоса, способный привести к его повреждению.

Группа изобретений относится к балансировке турбонасосов для космических двигателей. Насос содержит статор (112) и ротор, содержащий рабочее колесо (111), через которое проходит проточный тракт (114) для текучей среды. На этом колесе (111) выполнено устройство для осевой балансировки, содержащее балансировочную камеру (118) и канал (120), сформированный между колесом (111) и статором (112) и обеспечивающий отведение текучей среды из проточного тракта (114) в балансировочную камеру (118). Давление текучей среды в балансировочной камере (118) компенсирует усилия, действующие со стороны текучей среды на остальную часть ротора, обеспечивая тем самым осевую балансировку ротора. Канал (120) содержит переднее сопло (140) и заднее сопло (160), а также промежуточную кольцевую камеру (150), образованную между стенками (151, 152; 161, 162) колеса (111) и статора (112). Камера (150) расположена по направлению потока за передним соплом (140) и перед задним соплом (160) и вытянута в меридиональном направлении, а нормаль к стенке колеса (111), образующей сопла (140, 160), параллельна нормали к стенке (161, 162) статора (112), образующей сопла, и ориентирована в противоположную ей сторону. Группа изобретений направлена на создание компактного безопасного насоса с высокой производительностью. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Насос (8), содержащий:
статор (112),
ротор, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо (111) и установленный с небольшим осевым зазором, допускающим ограниченное осевое смещение ротора, и
устройство для осевой балансировки, выполненное по меньшей мере на одном рабочем колесе (111) ротора, через которое проходит проточный тракт (114) для текучей среды, и содержащее для каждого связанного с ним рабочего колеса канал (120), сформированный между указанным рабочим колесом (111) и статором и обеспечивающий отведение текучей среды из указанного проточного тракта (114), при этом указанный канал (120) содержит переднее сопло (140) и заднее сопло (160), изменяющиеся в осевом направлении насоса и расположенные между двумя стенками указанного рабочего колеса (111) и статора (112), а также промежуточную кольцевую камеру (150), образованную между стенками указанного рабочего колеса (111) и статора (112), с входом и выходом, расположенными по направлению потока текучей среды соответственно за передним соплом (140) и перед задним соплом (160) указанного канала,
отличающийся тем, что
устройство для осевой балансировки дополнительно содержит балансировочную камеру (118), сформированную между стенками (116) рабочего колеса (111), связанного с указанным устройством, и статора (112), при этом
указанный канал (120) обеспечивает отведение текучей среды из указанного проточного тракта (114) в балансировочную камеру (118);
промежуточная кольцевая камера (150) находится в радиальном направлении между радиусом переднего сопла и радиусом заднего сопла и вытянута в меридиональном направлении, а нормаль к стенке рабочего колеса (111), образующей указанные сопла (140, 160), параллельна нормали к стенке статора (112), образующей указанные сопла, и ориентирована в противоположную ей сторону.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что промежуточная кольцевая камера (150) является, по существу, воздухонепроницаемой за исключением указанных входов в указанный канал текучей среды через переднее и заднее сопла.

3. Насос по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одно из указанных сопел (140, 160) образовано в плоскости, перпендикулярной оси насоса.

4. Насос по п.1, отличающийся тем, что указанный канал (120) имеет переднюю осевую часть (130), образованную двумя противолежащими, по существу, круглыми цилиндрическими стенками (131, 132) указанного рабочего колеса (111) и статора (112) и расположенную по направлению потока перед передним соплом (140).

5. Насос по п.1, отличающийся тем, что указанный канал (120) имеет дополнительно заднюю осевую часть (170), образованную двумя противолежащими, по существу, круглыми цилиндрическими стенками (171, 172) указанного рабочего колеса (111) и статора (112) и расположенную по направлению потока за задним соплом (160).

6. Насос по п.5, отличающийся тем, что на переднем участке задней осевой части (270), вблизи выхода заднего сопла (260) канала (220) имеется кольцевая камера (273).

7. Насос по п.1, отличающийся тем, что указанный канал (120) дополнительно содержит
по меньшей мере одно дополнительное, промежуточное сопло, сформированное между двумя противолежащими соосными цилиндрическими стенками ротора и статора, и
по меньшей мере одну дополнительную промежуточную кольцевую камеру, образованную между ротором и статором и расположенную по направлению потока за указанным промежуточным соплом,
при этом по меньшей мере одно промежуточное сопло и по меньшей мере одна указанная промежуточная кольцевая камера расположены последовательно по направлению потока текучей среды между промежуточной кольцевой камерой и задним соплом.

8. Насос по п.1, отличающийся тем, что переднее и заднее сопла (240, 260) расположены, по существу, в одной плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора.

9. Насос по п.1, отличающийся тем, что ротор содержит единственное рабочее колесо (111), выполненное как импеллер.

10. Насос по п.1, отличающийся тем, что ротор содержит группу рабочих колес (111), выполненных как импеллеры, при этом устройством осевой балансировки снабжено только рабочее колесо, расположенное последним по направлению потока текучей среды в насосе.

11. Насос по п.1, отличающийся тем, что:
по меньшей мере одно рабочее колесо, снабженное указанным устройством, является закрытым рабочим колесом, имеющим с передней стороны лопастей передний диск (290);
балансировочная камера и указанный канал расположены на задней стороне указанного закрытого рабочего колеса, между его задней стенкой и статором;
указанное устройство содержит связанную с закрытым рабочим колесом дополнительную, переднюю балансировочную камеру (288), сформированную между передней стенкой переднего диска и статором, и второй канал (292), расположенный между передним диском и статором и обеспечивающий отведение текучей среды из проточного тракта (214) для текучей среды в переднюю балансировочную камеру (288), при этом второй канал (292) содержит переднее и заднее сопла (294, 296), сформированные между двумя соосными кольцевыми стенками, передней из которых является стенка переднего диска (290), а задней - стенка статора (212), и промежуточную кольцевую камеру (298), расположенную между стенками переднего диска (290) и статора (212) и имеющую вход и выход, расположенные по направлению потока соответственно за передним соплом (294) и перед задним соплом (296) указанного второго канала (292).

12. Насос по п.1, отличающийся тем, что рабочее колесо, снабженное указанным устройством, выполнено с возможностью достижения окружной скорости, превышающей 400 м/с.

13. Насос по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью прокачивания жидкого водорода.

14. Турбонасос для двигателя космического аппарата, выполненный как насос в соответствии с любым из пп. 1-13.