Турбонасосный агрегат

агрегат

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.
Турбонасосный агрегат (фиг. 1) содержит насос 1 и турбину 2. Насос 1 выполнен центробежным, точнее шнекоцентробежным и содержит вал 3, который выполнен пустотелым. На 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. Вал 3 установлен на подшипнике 9. Насос выполнен в корпусе 10. На валу 3 со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 установлен шнек 11. Между шнеком 11 и центробежным рабочим колесом 4 установлены на валу 3 с возможностью проскальзывания гидротурбина 12 и дополнительный шнек 13, жестко соединенная между собой. Шнек 11 жестко закреплен на валу 3 при помощи винта 14 с конической (или обтекаемой формы) головки.

Рис.1
Турбина 2 может быть выполнена одноступенчатой или многоступенчатой. Далее приведен пример исполнения ТНА с одноступенчатой турбиной 2. Турбина 2 содержит, закрепленное на валу 3 рабочее колесо15 турбины с рабочими лопатками 16. Перед рабочими лопатками 16 закреплен сопловой аппарат 17. Турбина 2 имеет передний корпус 18, задний корпус 19 и соединительный корпус 20, выполненный между насосом 1 и турбиной 2.
К переднему корпусу 18 подстыкованы входной корпус 21, имеющий полость 22, к заднему корпусу 19 подстыкован выходной корпус 23, имеющий полость 24. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 4 на его ступице 5 выполнены заднее уплотнение 25 и разгрузочная полость 26. В ступице 5 центробежного колеса 2 выполнена внутренняя полость 27 и отверстия 28 (фиг. 1 и 3). При этом отверстия 28 соединяют полость 6 с внутренней полостью 27 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта в центробежное рабочее колесо 4. Отверстия 27 выполнены или под углом 90 0 (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 0). Это исключит движения вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства. На валу 3 против внутренней полости 27 выполнены радиальные отверстия 29, которые соединяют полость 27 с полостью 30 вала 3. Подшипник 9 уплотнен с обеих сторон уплотнениями 31 и 32. Между подшипником 9 и уплотнением 31 сформирована полость 33, которая радиальными отверстиями 34, выполненными внутри вала 9 соединена с полостью 30. В передней части центробежного рабочего колеса 3 может быть установлено переднее уплотнение 35.

Рис.2
Внутри отверстий 28 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.

Рис.3
Конструктивно центробежного регулятора расхода 36 приведена на фиг. 4…6. Он содержит седло 37, клапан 38 со штоком 39 и поршнем 40. Внутри седла 35 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.

Рис.4
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 21 внутрь двухступенчатой турбины 2, и проходит через сопловой аппарат 17 и рабочие лопатки 16, раскручивается вал 3 с центробежным рабочим колесом 4 и с дополнительным шнеком 13 Давление за шнеком 11 повышается. Поток перекачиваемого продукта относительно высокого давления раскручивает гидротурбину 12, которая раскручивает шнек 13. Шнек 13 повышает давление на входе в центробежное рабочее колесо 4 , тем самым предотвращая кавитацию на его входе. Квитационные свойства шнеков всегда лучше, чем у центробежных рабочих колес. Для значительного улучшения кавитационных свойств дополнительный шнек 13 он спроектирован так, чтобы работал с частотой вращения меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4 в 2..3 раза, что технически несложно за счет проектирования гидротурбины 12 пониженной мошности и подбора мощности шнека 11.
При этом шнек 11 для обеспечения собственных кавитационных качеств должен иметь уменьшенный диаметр, который рекомендуется выбирать из соотношения:
D1 = (0,4…0,6 ) Dвх,
где: D1- диаметр шнека
Dвх – диаметр входа в насос.
Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т. е. в полости 24 повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 25 поступает в разгрузочную полость 26, проходит через подшипник 9, уплотнение 32 в 33 и далее через радиальные отверстия 34 в полость 30, потом через радиальные отверстия 29 – в полость 27 и через отверстия 28 возвращается в полость 8 центробежного рабочего колеса 4.
Шнек 11 повышает давление в полости за шнеком 11. Перепуск подогретых утечек организован внутрь рабочего центробежного рабочего колеса 4. При наличии центробежного регулятора расхода 36 при увеличении скорости вращения рабочего колеса. Это позволит повысить КПД центробежного насоса 1 и одновременно улучшить его кавитационные свойства.
При наличии центробежного регулятора расхода 36 при увеличении скорости вращения рабочего колеса уменьшается относительный расход перекачиваемого продукта (в % от общего расхода), используемого для смазки. Естественно, что абсолютный расход утечек перекачиваемого продукта, используемого для смазки не уменьшается, а остается прежним или немного увеличивается. Это происходит за счет того, что центробежные силы, действующие на клапан 38 увеличиваются, клапан 38 сжимает пружину 40, зазор между клапаном 38 и седлом 37 уменьшается.. Это позволит повысить КПД насоса 1 и одно-временно улучшить его кавитационные свойства, т. к. ограничит перепуск подогретого перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4 и препятствует уменьшению его объемного КПД..
Применение изобретения позволило:
1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека.
2. Обеспечить разгрузку осевых сил вала.
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.

Автор статьи: патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.