Насосная система подачи жидкого кислорода

Полезная модель относится к области силовых установок летательных аппаратов. За счет оптимального распределения развиваемого напора между каскадами насосная система подачи жидкого кислорода имеет минимальную массу и обладает повышенной надежностью. Представляет интерес для организаций разрабатывающих двигатели летательных аппаратов и оборудование, работающее на жидком кислороде высокого давления. Насосная система включает в себя бак с жидким кислородом, запорное устройство, последовательно расположенные три каскада повышения давления жидкого кислорода - бустерный, дополнительный и основной - каждый из которых состоит из насоса и его привода и потребителя жидкого кислорода. При этом параметры насосов выбираются так, чтобы бустерный насос функционировал при нулевом кавитационном запасе, а основной насос - при максимально допустимой частоте вращения, ограничиваемой только прочностью подшипника, причем насос дополнительного каскада обеспечивает давление жидкого кислорода выше его критической величины

Предполагаемая полезная модель относится, в основном, к области силовых установок летательных аппаратов, но может использоваться в технологическом оборудовании при испытании узлов и элементов кислородных насосов.

В техническом решении, принятом за аналог (А.с. СССР №857562. Центробежный насос), рассматривается насос с двухканальным рабочим колесом, причем с целью уменьшения массы при выполнении колеса двухсторонним, каналы большего и меньшего диаметров имеют общие отводы с симметричным расположением один внутри другого. Недостатком технического решения по аналогу является низкое кавитационное качество насоса.

В техническом решении, принятом за прототип (А.С. СССР №109712. Система подачи ЖРД с бустерным насосом) рассматривается двухкаскадная система подачи жидкого кислорода, включающая бустерный и основной насос, причем вход бустерного насоса соединен с баком жидкого кислорода, а выход соединен со входом основного насоса, выход которого соединен с потребителем жидкого кислорода.

Разделение системы подачи на два каскада позволяет значительно повысить кавитацонное качество системы подачи, так как известно, что бустерный насос повышает стойкость всей системы к кавитации.

Недостатком технического решения по прототипу является низкая надежность системы подачи жидкого кислорода из-за возможного возникновения кавитации на входе в бустерный насос при повышении, например, температуры жидкого кислорода. Кроме того, данная система имеет большую массу бустерного и основного насосов.

Задачей полезной модели является повышение надежности и обеспечение минимальной массы насосной системы подачи жидкого кислорода.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи достигается тем, что насосная система подачи жидкого кислорода содержит бустерный каскад с насосом и основной каскад с насосом, выход которого соединен с потребителем жидкого

кислорода, вход - с выходом насоса бустерного каскада, а вход насоса бустерного каскада соединен с баком жидкого кислорода, причем между насосами бустерного и основного каскадов включен дополнительный каскад с насосом, вход которого соединен с выходом насоса бустерного каскада, а выход - со входом насоса основного каскада, имеющего максимально допустимую частоту вращения.

На чертеже представлена схема насосной системы подачи жидкого кислорода.

Бак 1 жидкого кислорода, бустерный каскад 2, насос 3 бустерного каскада, привод 4 бустерного каскада, дополнительный каскад 5, насос 6 дополнительного каскада, привод 7 дополнительного каскада, основной каскад 8, быстроходный насос 9 основного каскада, привод 10 основного каскада, потребитель 11 жидкого кислорода, запорное устройство 12.

Работает система следующим образом.

Открытием запорного устройства 12 жидкий кислород из бака 1 с нулевым кавитационным запасом поступает в насос 3, который вращается от привода 4 каскада 2 и в котором давление повышается до уровня, обеспечивающего бескавитационную работу насоса 6, который вращается от привода 7 дополнительного каскада 5. В насосе 6 повышается давление жидкого кислорода до сверхкритического уровня (5.1 МПа) и жидкий кислород поступает в насос 9, который вращается от привода 10 каскада 8 и который повышает давление жидкого кислорода до требуемой (>10МПа) величины с поступлением жидкого кислорода к потребителю 11.

Известно, что перекачка насосами жидкого кислорода высокого давления сопряжена с возможностью разгара металла конструкции в окислительной среде с последующим катастрофически быстрым его горением (в течение 5-10 мс). Отсутствие паровой фазы кислорода в сверхкритической области (по давлению) жидкого кислорода резко снижает возможность воспламенения металла, что выражается в многократном повышении потребного теплового импульса для воспламенения и поддержания горения. Этим объясняется назначение перед быстроходным насосом 9 величины давления жидкого кислорода равной или более 5.1 МПа. Кроме того, результаты исследования неравновесности кавитирования криогенных жидкостей показали большие возможности положительного использования фактора замедленного парообразования при работе насосной системы в закритической (по давлению) области. В результате частота вращения насоса 9 выбирается исходя из максимально допустимой величины параметра быстроходности подшипника (nd)_max, где n - частота вращения ротора насоса, d - средний диаметр подшипника.

Частота вращения бустерного насоса 3 выбирается исходя из того, чтобы окружная скорость на периферии входа в колесо u _вх имела оптимальное для заданной температуры

жидкого кислорода значение - u_вх.опт, которому соответствует нулевой потребный кавитационный запас.

Минимальная масса насосов 3, 6 и 9 достигается путем назначения величины давления жидкого кислорода после бустерного насоса 3 в зависимости от значения величин давления и расхода жидкого кислорода после основного насоса 9.

В результате предлагаемая насосная система подачи жидкого кислорода, обладая минимальной массой, позволяет достичь максимальной всасывающей способности при высоком уровне надежности системы.

Использование изложенного подхода к жидкостному ракетному двигателю НК-33 ОАО "СНТК им. Н.Д.Кузнецова" показало следующее.

Применение бустерного каскада с наружным диаметром входа в колесо D_вх=0.3 м при расходе жидкого кислорода 320 л/с, значении величины окружной скорости u_вх.опт=35.7 м/с и температуре жидкого кислорода Т=94 К позволит достичь уменьшения

величины потребного кавитационного запаса почти в три раза по сравнению с достигнутым уровнем.

В 2005 году планируется спроектировать насосную систему для перекачки жидкого кислорода с давлением 25 МПа и расходом 10 кг/с с целью демонстрации ее массовых показателей в сравнении с системами, спроектированными по традиционным методам

Насосная система подачи жидкого кислорода, содержащая бустерный каскад с насосом и основной каскад с насосом, выход которого соединен с потребителем жидкого кислорода, вход - с выходом насоса бустерного каскада, а вход насоса бустерного каскада соединен с баком жидкого кислорода, отличающаяся тем, что между бустерным и основным каскадами включен дополнительный каскад с насосом, вход которого соединен с выходом насоса бустерного каскада, а выход - со входом насоса основного каскада, имеющего максимально допустимую частоту вращения.