Патент на изобретение №2299344

(54) УСТРОЙСТВО РАЗДЕЛЕНИЯ НАСОСА И ТУРБИНЫ БУСТЕРНОГО ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД). Устройство разделения насоса и турбины бустерного турбонасосного агрегата ЖРД состоит из насоса 2, турбины 3, разделительной полости 1 между насосом 2 и турбиной 3 и тракта внешнего подвода 4. Разделительная полость 1 ограничена со стороны насоса 2 уплотнением вала 5, диаметр которого выполнен меньше диаметра вала 10 в месте посадки подшипника турбины 11, а со стороны турбины 3 разгрузочным диском 6, совмещенным с колесом турбины 7. На колесе турбины 7 выполнено уплотнение разгрузочного диска 8. Осевое колесо насоса 9 и колесо турбины 7 закреплены на валу 10. Со стороны турбины 3 вал 10 опирается на подшипник турбины 11, который вынесен за пределы разделительной полости 1 и установлен со стороны насоса 2. Полость подшипника турбины 12, примыкающая к уплотнению вала 5, сообщена подводящими каналами 13 с выходом насоса 14. Предлагаемое устройство обеспечивает минимальные потери мощности, связанные с разделением насоса и турбины, а также эффективное охлаждение подшипников жидким однофазным водородом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД).

В ЖРД широко применяются бустерные турбонасосные агрегаты с осевым насосом, приводом для которого служит газовая турбина. Такие бустерные турбонасосные агрегаты вследствие простоты конструкции осевого насоса обладают высокой надежностью.

Известно устройство разделения насоса и турбины водородного бустерного турбонасосного агрегата ЖРД, содержащее разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны насоса уплотнением вала, а со стороны колеса турбины разгрузочным диском с его уплотнением. В разделительную полость подводится рабочая среда от внешнего источника. В разделительной полости между уплотнением вала и разгрузочным диском помещен подшипник турбины.

(Космонавтика и ракетостроение, вып.16. ЦНИИмаш, 1999. Стр.79. Рис.6 – прототип).

Такой бустерный турбонасосный агрегат обладает следующими недостатками.

При работе бустерного турбонасосного агрегата с осевым насосом на его осевое колесо действует осевое усилие, обусловленное создаваемым им перепадом давлений. Это осевое усилие действует в направлении от выхода к входу в насос. Чем выше перепад давлений, создаваемый насосом, тем больше величина осевого усилия, действующего на осевое колесо насоса. Величина этого усилия может составлять несколько тысяч килоньютон. Так как в бустерных насосах используются турбины с низким перепадом давлений на рабочем колесе, то осевое усилие, действующее на ротор со стороны турбины, невелико и не может уравновесить осевое усилие от осевого колеса насоса. Поэтому для уравновешивания осевого усилия от осевого колеса насоса должен использоваться устанавливаемый в разделительной полости разгрузочный диск большого диаметра. В известном устройстве диаметр уплотнения вала выполняется больше диаметра вала в месте посадки подшипника турбины, что также влечет за собой увеличение диаметра разгрузочного диска. Повышенный диаметр разгрузочного диска ведет к увеличению потерь мощности, связанных с вращением диска. Кроме того, повышенные диаметры уплотнений вала и разгрузочного диска вызывают повышенные потери мощности, связанные с утечками рабочей среды из разделительной полости. В бустерных турбонасосных агрегатах ЖРД малой тяги уменьшение утечек из разделительной полости в полость турбины особенно важно, так как эти утечки по величине могут быть сопоставимы с расходом рабочего газа через турбину.

В разделительную полость между насосом и турбиной указанного устройства подводится водород высокого давления с выхода водородного насоса главного турбонасосного агрегата. Этот водород находится в газовой фазе, из-за чего ухудшаются условия охлаждения подшипника турбины.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков устройства разделения насоса и турбины бустерного турбонасосного агрегата ЖРД путем уменьшения потерь мощности, затрачиваемой на разделение насоса и турбины, и улучшения условий охлаждения подшипника турбины.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве разделения насоса и турбины бустерного турбонасосного агрегата ЖРД, содержащем насос, турбину, разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны насоса уплотнением вала, а со стороны турбины разгрузочным диском с его уплотнением, выполнен тракт внешнего подвода рабочей среды в разделительную полость и полость подшипника турбины, согласно изобретению разгрузочный диск с его уплотнением совмещен с колесом турбины, диаметр уплотнения вала выполнен меньше диаметра вала в месте посадки подшипника турбины, а подшипник турбины установлен со стороны насоса за пределами разделительной полости.

Для улучшения условий охлаждения подшипника турбины его полость, примыкающая к разделительной полости, сообщена подводящими каналами с выходом насоса.

Предлагаемое устройство разделения насоса и турбины бустерного турбонасосного агрегата ЖРД представлено чертежами:

на фиг.1 – продольный разрез водородного бустерного турбонасосного агрегата с устройством разделения насоса и турбины;

на фиг.2 – элемент устройства разделения насоса и турбины, где

1 – разделительная полость,

2 – насос,

3 – турбина,

4 – тракт внешнего подвода,

5 – уплотнение вала,

6 – разгрузочный диск,

7 – колесо турбины,

8 – уплотнение разгрузочного диска,

9 – осевое колесо насоса,

10 – вал,

11 – подшипник турбины,

12 – полость подшипника турбины,

13 – подводящие каналы,

14 – выход насоса.

Устройство состоит из разделительной полости 1 между насосом 2 и турбиной 3 и тракта внешнего подвода 4. Разделительная полость 1 ограничена со стороны насоса 2 уплотнением вала 5, диаметр которого меньше диаметра вала в месте посадки подшипника турбины, а со стороны турбины 3 ограничена разгрузочным диском 6, совмещенным с колесом турбины 7. На колесе турбины 7 выполнено уплотнение разгрузочного диска 8. Осевое колесо насоса 9 и колесо турбины 7 закреплены на валу 10. Со стороны турбины 3 вал 10 опирается на подшипник турбины 11, расположенный со стороны насоса за пределами разделительной полости. Полость подшипника турбины 12, примыкающая к уплотнению вала 5, сообщена подводящими каналами 13 с выходом насоса 14.

При работе бустерного турбонасосного агрегата в разделительную полость 1 через тракт внешнего подвода 4 подводится водород высокого давления от внешнего источника, например выхода насоса главного турбонасосного агрегата ЖРД. Давление водорода в разделительной полости 1 превышает давление в полостях насоса 2 и турбины 3. Это исключает утечку газообразного водорода из турбины 3 в полости насоса 2. Из разделительной полости 1 водород утекает в полость турбины 3 через уплотнение разгрузочного диска 8, а в полости насоса 2 – через уплотнение вала 5.

При работе на осевое колесо насоса 9 действует осевое усилие, создаваемое действующим на него перепадом давлений. Это усилие направлено в сторону от выхода к входу в насос. Так как на колесе турбины 7 практически отсутствует перепад давлений, то на него действует осевое усилие, направленное в ту же сторону, что и осевое усилие, действующее на осевое колесо насоса 9. Осевые усилия, действующие на колесо турбины 7 и осевое колесо насоса 9, уравновешиваются осевым усилием, действующим на разгрузочный диск 6 и направленным в обратную сторону, т.е. от входа к выходу из насоса. Так как разгрузочный диск 6 совмещен с колесом турбины 7, потери мощности на трение разгрузочного диска 6 и колеса турбины 7 о рабочую среду минимальны.

В отличие от прототипа, где диаметр уплотнения больше диаметра вала в месте посадки подшипника турбины, уплотнение вала 5 расположено на диаметре, меньшем диаметра вала 10 в месте посадки подшипника турбины 11. Этим обеспечено уменьшение потерь мощности за счет уменьшения утечек через уплотнение вала 5.

Площадь разгрузочного диска 6 определяется величиной осевого усилия, требуемого для уравновешивания осевых усилий, действующих на колесо турбины 7 и осевое колесо насоса 9. При заданной площади разгрузочного диска 6 уменьшение диаметра уплотнения вала 5 приводит к уменьшению диаметра уплотнения разгрузочного диска 8. Этим достигается уменьшение потерь мощности за счет уменьшения утечек через уплотнение разгрузочного диска 8.

С выхода насоса 14 по подводящим каналам 13 в полость подшипника турбины 12 подводится жидкий водород, который смешивается с более теплым газообразным водородом, поступающим через уплотнение вала 5. При смешении с жидким водородом газообразный водород конденсируется и через подшипник турбины 11 протекает водород в жидкой фазе, что обеспечивает надежное охлаждение подшипника. Кроме того, повышается надежность работы и всего насоса, так как исключается перетекание газообразного водорода в рабочие полости насоса.

В предлагаемом устройстве разделения насоса и турбины бустерного турбонасосного агрегата ЖРД обеспечиваются минимальные потери мощности, связанные с разделением насоса и турбины. При этом обеспечивается эффективное охлаждение подшипников жидким однофазным водородом.

Формула изобретения

1. Устройство разделения насоса и турбины бустерного турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), содержащее насос, турбину, разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны насоса уплотнением вала, а со стороны турбины – разгрузочным диском с его уплотнением, тракт внешнего подвода в разделительную полость и полость подшипника турбины, отличающееся тем, что разгрузочный диск с его уплотнением совмещен с колесом турбины, диаметр уплотнения вала выполнен меньше диаметра вала в месте посадки подшипника турбины, а подшипник турбины установлен со стороны насоса за разделительной полостью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость подшипника турбины, примыкающая к разделительной полости, сообщена подводящими каналами с выходом насоса.

РИСУНКИ