Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей, в том числе, работающих на криогенных компонентах.
Турбонасосный агрегат (рис.1 и 2) содержит турбину 1 и три центробежных насоса первый, второй и третий, соответственно, 2, 3 и 4. Первый центробежный насос 2 расположен ближе к турбине 1. Турбина 1 выполнена трехступенчатой и содержит рабочие колеса первой ступени 5, второй ступени 6 и третьей ступени 7, соответственно с рабочими лопатками 8, 9 и 10. Кроме того, турбина 1 содержит три сопловых аппарата 11 , 12 и 13 , установленные соответственно перед рабочими лопатками 7, 8 и 9 трех ступеней турбины. 1. Кроме того, турбина 1 содержит передний корпус 14 и задний корпус 15. К переднему корпусу 14 подстыкован входной патрубок 16, а к заднему корпусу 16 подстыкован выходной патрубок 17 с выходной полостью 18. Между ступенями турбины 1 установлены диафрагмы 19 и 20. На торцах рабочих колес турбин 4, 5 и 6 выполнены кольцевые уплотнения 21, 22 и 23, под которыми сформированы разгрузочные полости 24, 25 и 26. К корпусу 14 подстыкован соединительный корпус 27. ТНА содержит три вала: внешний 28, промежуточный 29 и внутренний 30. Рабочее колесо первой ступени 5 установлено на внешнем валу 28, рабочее колесо второй ступени 6 установлено на промежуточном валу 29 и рабочее колесо третьей ступени 7 установлено на внутреннем валу 30.
Первый центробежный насос 2 (от турбины 1) содержит центробежное рабочее ко-лесо 31, имеющее ступицу 32 и первый шнек 33, установленные в корпусе 34, к которому подстыкован входной корпус 35 с входной полостью 36 и выходной корпус 37 с выход-ной полостью 38. На торце центробежного рабочего колеса 31 выполнено заднее уплотне-ние 39, под которым сформирована разгрузочная полость 40.
Второй центробежный насос 3 имеет аналогичную конструкцию и содержит цен-тробежное рабочее колесо 41, имеющее ступицу 42 и первый шнек 43, установленные в корпусе 44, к которому подстыкован входной корпус 45 с входной полостью 46 и выход-ной корпус 47 с выходной полостью 48. На торце центробежного рабочего колеса 41 выполнено заднее уплотнение 49, под которым сформирована разгрузочная полость 50.
Третий центробежный насос 4 имеет также аналогичную конструкцию и содержит третье центробежное рабочее колесо 51, имеющее ступицу 52 и третий шнек 53, установленные в корпусе 54, к которому подстыкован входной корпус 55 с входной полостью 56 и выходной корпус 57 с выходной полостью 58. На торце центробежного рабочего колеса 51 выполнено заднее уплотнение 59, под которым сформирована разгрузочная полость 60. Третий шнек 53 установлен на внутреннем валу 30 с возможность проскальзывания (с зазором, а третье центробежное рабочее колесо 51 жестко закреплено с возможностью пере-дачи крутящего момента, например, посредством шпонки. Связь третьего шнека 53 с третьим центробежным рабочим колесом 51 осуществляется через магнитную муфту 61. Перед третьим шнеком 53 может быть установлен автомат регулирования частоты вращения шнека 62.
Конструкция магнитной муфты 61 и автомата регулирования частоты вращения шнека 62 показана на рис. 2. Магнитная муфта 61 выполнена торцовой и содержит ведущую и ведомую полумуфты 63 и 64 соответственно, на торцах которых закреплены постоянные магниты 65. Между полумуфтами 63 и 64 выполнен зазор δ. При управлении величиной этого зазора изменяется мощность, передаваемая на третий шнек 53 и изменяется частота его вращения. Для этого предназначен автомат регулирования частоты вращения шнека 62., который содержит пружину 66, установленную внутри стакана 67. Стакан 67 прижат к внутреннему валу 30 болтом 68 и закрыт с противоположной стороны крышкой 69. Крышка 69 зафиксирована от проворота штифтом 70, установленном в стакане 67 и выступающем в продольном пазу 71 для обеспечения осевого перемещения крышки 69 относительно стакана 67, что необходимо для работы автомата управления частотой вращения 62 третьего шнека 53 в зависимости от режима работы ТНА, конкретно для уменьшения частоты вращения третьего шнека 53 при увеличении частоты вращения всех валов ТНА, в том числе внутреннего вала 30.
В ступицах 32 , 42 и 52 центробежных рабочих колес 31, 41 и 51 выполнены внутренняя полость 72 и отверстия 73 (фиг. 1). Эти отверстия 73 соединяют внутренние полости 72 с полостями центробежных рабочих колес 31, 41 и 51 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежных рабочих колес 31, 41 и 51.

Первое центробежное рабочее колесо 31 установлено на внешнем валу 28, который установлен в подшипниках 74, первый шнек 43 и второе центробежное рабочее колесо 41 установлены на промежуточном валу 29, который установлен на подшипниках 75, а второй шнек 33 и третье центробежное рабочее колесо 53 установлены на внутреннем валу 30, который установлен в подшипниках 76.
Внешний вал 28 уплотнен уплотнениями 77, промежуточный вал 29 уплотнен уплотнениями 78, а внутренний вал 30 уплотнен уплотнениями 79.
Между уплотнениями 77…79 образованы каналы 80 для подвода перекачиваемого продукта для смазки. Между третьим шнеком 53 и третьим рабочим колесом 51 имеется полость 81 (рис. 1 и 2).

Рабочее колесо третьей ступени 7 турбины 1 имеет меньший диаметр, чем рабочее колесо второй ступени 6 турбины 1. Это необходимо для того, чтобы третья ступень 7 турбины 1 получилась меньшей мощности, чем другие ступени, потому, что она имеет самую малую нагрузку 20 %…25% от всей мощности турбины 1, достаточную для привода второго шнека 43 и третьего центробежного рабочего колеса 51, а также третьего шнека 53. Рабочее колесо второй ступени 6 имеет диаметр меньший, чем рабочее колесо первой ступени54 и развивает мощность 25…35% от общей мощности турбины 1..
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 16 внутрь трехступенчатой турбины 1, и проходит через сопловые аппараты 11, 12 и 13 и рабочие лопатки 8, 9 и 10.. Внутри центробежного рабочих колес 31, 41 и 51 и на выходе из них, т. е. в полостях 38, 48 и 58 повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5%…7%) через задние уплотнения 39 , 49 и 59 поступает в разгрузочные полости 40, 50 и 60 и далее на смазку соответствующих подшипников. Этот расход перекачиваемого продукта возвращается внутрь центробежных рабочих колес 31, 41 и 51.
Так как шнек 33 вращается с угловой скоростью в 1,5…2 раза меньшей, чем центробежное рабочее колесо 31 первого центробежного насоса 2, а второй шнек 43 со скоростью в 1,5…2 раза меньшей, чем второй центробежное колесо 42, а третий шнек 53 со скоростью в 1,5…2 раза меньше третьего центробежного рабочего колеса 51, что предотвращает кавитацию на входе во все три насоса 2…4. Из-за пониженных оборотов самих шнеков 33, 43 и 53 кавитация на их входных кромках также исключается.
При работе ТНА в разгрузочных полостях 40, 50 и 60 центробежных насосов 2 , 3 и 4 и в разгрузочных полостях 25, 26 и 27 турбины 1 возникает пониженное давление перекачиваемого продукта и газа соответственно. Это способствует уменьшению осевых сил, действующих на внешний вал 28, промежуточный вал 29 и внутренний вал 30.
Автомат регулирования частоты вращения шнека 62 работает следующим образом. При работе пружина 66 упирается одним торцом в торец стакана 67, другим – в торец крышки 69 и далее и максимально ( до соприкосновения) сближает третий шнек 53 и третье центробежное рабочее колесо 51. При этом зазор δ (рис. 3) уменьшается до минимально возможного значения и магнитной муфтой 61 передается максимально возможная мощность. При запуске насоса третий шнек 53 вращаются практически с той же скоростью, что и внутренний вал 30, что благоприятно сказывается на антикавитационных свойствах насоса. При выходе шнекоцентробежного насоса на максимальный режим, дав-ление перекачиваемого продукта в полости 81 будет больше, чем это необходимо из условия отсутствия кавитации на входе в третье центробежное рабочее колесо 51. Но в то же время из-за большой скорости вращения третьего шнека 53 могут создаться условия возникновения кавитации на входе в третий шнек 53. Повышенное давление в полости 81 создаст осевое усилие влево (рис. 2) и переместит третий шнек 53 в сторону входа в насос, при этом сожмется пружина 66, пока дальнейшее перемещение третьего шнека 81 не прекратится. Зазор между полумуфтами 63 и 64 увеличится и автоматически уменьшится крутящий момент (мощность) передаваемый с внутреннего вала 30 на третий шнек 53. Частота вращения третьего шнека 53 уменьшится и улучшатся условия для предотвращения кавитации на входе в третий шнек 53.
При падении давления в полости 81 происходит обратный процесс, т. е. третий шнек 53 перемещается в сторону третьего центробежного рабочего колеса 51, тем самым процесс регулирования нагрузки на магнитную муфту 61 будет полностью автоматизирован. Это значительно улучшит антикавитационные свойства третьего насоса 4, например, при частоте вращения внутреннего вала 100 000 об/мин можно получить скорость враще-ния третьего шнека 53 порядка 50 000…70 000 об/.мин, т. е предельную по кавитационным свойствам шнека скорость. При этом на всех трех центробежных насосах 2…4 будет получено максимально возможное повышение давления при минимальном весе и габаритах ТНА, что имеет решающее значение для ракетных двигателей.
Применение изобретения позволило:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства трех насосов, например, насосов окислителя и двух насосов горючего в ТНА, предназначенном для трехкомпонентного ЖРД, за счет применения трех шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека.
2. Обеспечить разгрузку осевых сил внутреннего и внешнего валов.
3. Спроектировать насосы очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых по прочности.
4. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосах вследствие кавитации на их входах.
5. Создать турбонасосный агрегат трехкомпонентного ЖРД с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности трех насосов, за счет уменьшения диаметра ступеней турбин от первой к третьей, при применении для нее трех ступеней.

Автор статьи: Патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович