Малорасходный турбонасосный агрегат

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к малорасходным турбонасосным агрегатам, применяемым в качестве агрегатов подачи компонентов топлива в жидкостных ракетных двигателях малой тяги.

Малорасходный турбонасосный агрегат cодержит турбину и насос, корпуса которых соединены между собой, общий вал, опирающийся на подшипники, рабочие колеса турбины и насоса, размещенные на общем валу и направляющий аппарат, установленный на выходе рабочего колеса, при этом выход из направляющего аппарата соединен с выходным патрубком насоса через гидравлический тракт и кольцевой коллектор, расположенный в стыке между корпусами насоса и турбины, причем указанный гидравлический тракт включает в себя последовательно соединенные проточную полость подшипников и промежуточный коллектор, расположенный вблизи стыка корпусов насоса и турбины.

Применение полезной модели позволяет повысить стабильность характеристик насоса во время работы, а также уменьшить объем нагретых утечек тепла, передаваемых на корпус насоса.

Область техники

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к малорасходным турбонасосным агрегатам, применяемым в качестве агрегатов подачи компонентов топлива в жидкостных ракетных двигателях малой тяги, например в двигателях разгонных блоков или верхних ступеней ракет носителей.

Предшествующий уровень техники

В технике известны турбонасосные агрегаты, применяемые в составе жидкостных ракетных двигателей, и имеющие в своем составе турбину и один или несколько насосов, один из которых, как правило, насос, перекачивающий компонент, избыток которого определяет состав рабочего газа турбины, соединен непосредственно с турбиной и имеет с ней общий вал. При этом подшипники насоса охлаждаются перекачиваемой жидкостью, часть которой затем сбрасывается на вход в насос, (см. кн. «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей». Под общей редакцией Г.Г.Гахуна - М.: Машиностроение, 1989, с.198, рис.10.46 и стр.201, рис 10.6а). Указанные схемы принимаем за аналоги предлагаемой полезной модели.

Недостатком такой конструкции является тепловое воздействие горячей газовой турбины на присоединенный к ней насос, приводящее к нагреву перекачиваемого этим насосом компонента топлива и, соответственно, к уменьшению его плотности и вязкости, что в свою очередь негативно сказывается на характеристиках насоса.

Величина этого воздействия зависит от мощности турбины, разницы температур конструкций турбины и насоса, а также от количества перекачиваемого насосом компонента топлива и его теплофизических характеристик, в первую очередь от зависимости плотности и вязкости компонента от температуры. Указанное воздействие несущественно для турбонасосных агрегатов мощных ЖРД, насосы которых обеспечивают подачу от сотен литров до кубометров в секунду, и увеличивается с уменьшением размерности двигателя и, соответственно турбонасосного агрегата.

Влияние этого недостатка особенно велико для малорасходных турбонасосных агрегатов двигателей малой тяги, в которых расход перекачиваемого компонента слишком мал, для того чтобы без заметного изменения свойств поглотить тепло, передающееся от турбины.

Кроме того, к дополнительному нагреву компонента приводит также сброс различных утечек на вход в насос, в первую очередь части расхода, использованного для охлаждения подшипников.

Известна конструкция малорасходного насоса, подшипники которого расположены во всасывающей полости насоса и охлаждаются всем расходом жидкости, перекачиваемой насосом (см. Патент Великобритании 2084652 МКИ F04D 13/00, опубликован 1982 г.). Указанную конструкцию также принимаем за прототип предлагаемой полезной модели.

Недостатком этой конструкции является то, что она применима только для низкооборотных насосов, поскольку такое расположение подшипников приводит к снижению давления на входе в рабочее колесо насоса на величину, определяемую гидравлическим сопротивлением подшипников при прокачке через них жидкости и, соответственно к снижению кавитационного запаса насоса. Кроме того, расположение подшипников в полости низкого давления, которой является входная полость насоса, не позволяет обеспечить уровень давления необходимый для подавления кавитации во внутренних полостях подшипников при работе насоса на высоких частотах вращения. Компенсация указанных недостатков возможна за счет существенного повышения входного давления. Однако это неприемлемо в случае малорасходных турбонасосных агрегатов, так как приводит либо к необходимости увеличения давления наддува баков и, следовательно к увеличению их прочности и массы, либо, если в состав жидкостного ракетного двигателя входят бустерные насосы, к повышению их напора и мощности и, соответственно затрат энергии на их привод.

Раскрытие полезной модели

Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в уменьшении влияния на работоспособность и характеристики малорасходного турбонасосного агрегата теплового потока, идущего от горячих узлов конструкции турбонасосного агрегата, в первую очередь от газовой турбины, к соединенному с ними холодному насосу.

Эта задача решена за счет того, что в малорасходном турбонасосном агрегате содержащим турбину и насос, корпуса которых соединены между собой, общий вал, опирающийся на подшипники, рабочие колеса турбины и насоса, размещенные на общем валу и направляющий аппарат, установленный на выходе рабочего колеса, который соединен с выходным патрубком насоса через гидравлический тракт и кольцевой коллектор, расположенный в стыке между корпусами насоса и турбины, при этом указанный гидравлический тракт включает в себя последовательно соединенные проточную полость подшипников и промежуточный коллектор, расположенный вблизи стыка корпусов насоса и турбины.

Полученный технический результат заключается в повышении стабильности характеристик насоса во время работы, а также в уменьшении объема нагретых утечек, вбрасываемых на вход в насос.

Краткое описание чертежей

Полезная модель поясняется рисунком, на котором изображено продольное сечение малогабаритного турбонасосного агрегата.

Пример реализации полезной модели

Турбонасосный агрегат 1 включает газовую турбину 2 в качестве привода и насос 3, корпуса 4 и 5 которых соединены между собой, общий вал 6, опирающийся на подшипники 7. Рабочее колесо 8 турбины 2 и рабочее колесо 9 насоса 3 установлены на общем валу 6. На выходе рабочего колеса 9 насоса установлен направляющий аппарат 10. Выход из направляющего аппарата 10 соединен с выходным патрубком 11 насоса 3 через гидравлический тракт и кольцевой коллектор 12, который расположен в стыке между корпусом турбины 4 и корпусом насоса 5. Гидравлический тракт включает в себя последовательно соединенные проточную полость 13 подшипников 7 и промежуточный коллектор 14, расположенный вблизи стыка корпусов 4 и 5 насоса и турбины.

Работа устройства

Во время работы турбонасосного агрегата весь перекачиваемый насосом 3 компонент с выхода направляющего аппарата 10 насоса 3 поступает в проточную полость 13 подшипников 7, охлаждая и смазывая их, а из нее подается в промежуточный коллектор 14, и далее поступает в кольцевой коллектор 12, а затем в выходной патрубок 11 насоса.

В этом случае обеспечивается максимальный съем тепла с участка конструкции, через который передается тепло от турбины к насосу, минимизируется влияние горячей турбины на работу насоса и исключается влияние на работу и характеристики насоса части компонента, использованного для смазки и охлаждения подшипников, а также улучшается объемный кпд насоса.

Промышленная применимость

Полезная модель может использоваться в малорасходных турбонасосных агрегатах, например предназначенных для ЖРД малых тяг, использующих для работы криогенные компоненты, а также в агрегатах, перекачивающих криогенные жидкости.

Малорасходный турбонасосный агрегат, содержащий турбину и насос, корпуса которых соединены между собой, общий вал, опирающийся на подшипники, рабочие колеса турбины и насоса, размещенные на общем валу, и направляющий аппарат, установленный на выходе рабочего колеса, отличающийся тем, что выход из направляющего аппарата соединен с выходным патрубком насоса через гидравлический тракт и кольцевой коллектор, расположенный в стыке между корпусами насоса и турбины, при этом указанный гидравлический тракт включает в себя последовательно соединенные проточную полость подшипников и промежуточный коллектор, расположенный вблизи стыка корпусов насоса и турбины.