RU2418986C1 - Turbo-pump unit - Google Patents
Turbo-pump unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2418986C1 RU2418986C1 RU2009142154/06A RU2009142154A RU2418986C1 RU 2418986 C1 RU2418986 C1 RU 2418986C1 RU 2009142154/06 A RU2009142154/06 A RU 2009142154/06A RU 2009142154 A RU2009142154 A RU 2009142154A RU 2418986 C1 RU2418986 C1 RU 2418986C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- turbine
- impeller
- cavity
- shaft
- centrifugal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
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 работающих на криогенных компонентах.The invention relates to pump engineering and can be used in any technical field for pumping liquids that do not contain abrasive inclusions, including for pumping cryogenic liquids. It is preferable to use the pump in turbopump units (TNA) of liquid-propellant rocket engines, including those operating on cryogenic components.
Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ на изобретение №2094660, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса (крыльчатки), шнек, вал и опорные узлы в виде подшипников скольжения и качения. Насос имеет плохие кавитационные свойства.Known screw centrifugal pump according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2094660, comprising a detachable body, centrifugal impellers (impellers), auger, shaft and support units in the form of sliding and rolling bearings. The pump has poor cavitation properties.
Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, МПК 6 F04D 13/04, опубл. 10.03.98. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, крыльчатку и шнек, установленные на валу. Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, так как он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. Шнек обеспечивает повышение кавитационных свойств насоса, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет с ним одинаковую угловую скорость вращения. Это не позволяет эксплуатировать насос на очень больших оборотах, например 40..100 тыс.об/мин, поэтому такие насосы в настоящее время не применяются.Known screw centrifugal pump according to the patent of the Russian Federation No. 2106534, IPC 6 F04D 13/04, publ. 03/10/98. This centrifugal screw pump comprises a housing, an impeller and an auger mounted on a shaft. The auger improves the cavitation properties of the pump, since it has better cavitation properties than a centrifugal impeller. The screw provides an increase in the cavitation properties of the pump, but it is mechanically connected to the impeller of the pump and has the same angular rotation speed with it. This does not allow the pump to be operated at very high speeds, for example 40..100 thousand rpm, therefore, such pumps are not currently used.
Известен турбонасосный агрегат по патенту РФ №2300021, который содержит многоступенчатый центробежный насос и одноступенчатую турбину. Для уменьшения габаритов насос и турбина спроектированы на максимально допустимую по прочности частоту вращения ротора ТНА. При этом кавитационные качества насоса ухудшаются.Known turbopump assembly according to the patent of the Russian Federation No. 2300021, which contains a multistage centrifugal pump and a single-stage turbine. To reduce the dimensions, the pump and turbine are designed for the maximum permissible strength rotational speed of the TNA rotor. At the same time, the cavitational qualities of the pump are deteriorating.
Известен турбонасосный агрегат (ТНА) по патенту РФ на изобретение №2232300 С2, прототип. Этот ТНА содержит корпуса, центробежный насос, содержащий, в свою очередь центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, две турбины, установленные в корпусе с входным и выхлопным патрубками и включающие сопловые аппараты и рабочие колеса, и внешний и внутренний валы, последний из которых установлен внутри внешнего вала на подшипниках, при этом рабочие колеса турбин установлены на внешнем и внутреннем валах, шнек установлен на внешнем валу, а рабочее колесо второй турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо первой турбины.Known turbopump assembly (TNA) according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2232300 C2, prototype. This TNA contains housings, a centrifugal pump, comprising, in turn, a centrifugal impeller with a hub having an internal cavity mounted to a shaft that is mounted in a bearing protected by a seal, and a screw, two turbines installed in a housing with inlet and exhaust pipes and including nozzle apparatuses and impellers, and external and internal shafts, the last of which is installed inside the external shaft on bearings, while the turbine impellers are installed on the external and internal shafts, the screw is mounted on the external m shaft and the second turbine impeller is formed smaller in diameter than the first turbine impeller.
Недостатки: плохие кавитационные качества центробежного насоса, особенно при его работе на больших частотах вращения, а также плохая разгрузка осевых сил. При подводе газа в турбину со стороны, противоположной входу в насос, осевые силы, действующие на ротор турбины и ротор насоса, направлены в одну сторону, т.е. складываются по абсолютному значению.Disadvantages: poor cavitation qualities of a centrifugal pump, especially when it is operating at high speeds, as well as poor unloading of axial forces. When gas is supplied to the turbine from the side opposite to the pump inlet, the axial forces acting on the turbine rotor and the pump rotor are directed in one direction, i.e. add up to the absolute value.
Задачи создания изобретения - улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов.The objective of the invention is to improve the cavitation properties of the pump and to ensure the unloading of the axial forces of the internal and intermediate shafts.
Решение указанных задач достигнуто в турбонасосном агрегате, содержащем корпуса, центробежный насос, содержащий, в свою очередь, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, шнек, две турбины, установленные в корпусе с входным и выхлопным патрубками и включающие сопловые аппараты и рабочие колеса, и внешний и внутренний валы, последний из которых установлен внутри внешнего вала на подшипниках, при этом рабочие колеса турбин установлены на внешнем и внутреннем валах, шнек установлен на внешнем валу, а рабочее колесо второй турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо первой турбины, согласно изобретению обе турбины являются газовыми, рабочее колесо первой турбины установлено в задней полости, выполненной внутри корпуса турбины в его центральной части, а канал подвода газа ко второй турбине выполнен внутри внешнего вала и сообщает полость входного патрубка турбины с полостью перед второй турбиной, а канал отвода газа выполнен в виде кольцевой щели, соединяющей заднюю полость турбины с выхлопным патрубком турбины. Внутри ступицы выполнены внутренняя полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса. Внутри сквозных отверстий установлены центробежные регуляторы расхода. На заднем торце центробежного рабочего колеса и на переднем торце рабочего колеса первой турбины выполнены уплотнения, под которыми расположены разгрузочные полости.The solution of these problems was achieved in a turbopump assembly containing housings, a centrifugal pump, which, in turn, contains a centrifugal impeller with a hub having an internal cavity mounted to the shaft, which is installed in a bearing protected by a seal, an auger, two turbines installed in a housing with inlet and exhaust nozzles and including nozzle devices and impellers, and external and internal shafts, the last of which is mounted inside the external shaft on bearings, while the turbine impellers are mounted on in the external and internal shafts, the screw is mounted on the external shaft, and the impeller of the second turbine is made smaller in diameter than the impeller of the first turbine, according to the invention both turbines are gas, the impeller of the first turbine is installed in the rear cavity made inside the turbine casing in its central parts, and the channel for supplying gas to the second turbine is made inside the external shaft and communicates the cavity of the turbine inlet pipe with a cavity in front of the second turbine, and the gas outlet channel is made in the form of an annular gap connecting the back cavity of the turbine with the exhaust pipe of the turbine. Inside the hub there is an internal cavity and through holes connecting the internal cavity of the hub with the cavity inside the centrifugal impeller. Centrifugal flow controllers are installed inside the through holes. At the rear end of the centrifugal impeller and at the front end of the impeller of the first turbine, seals are made under which discharge cavities are located.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6, где:The invention is illustrated in figure 1 ... 6, where:
на фиг.1 приведен чертеж турбонасосного агрегата,figure 1 shows a drawing of a turbopump unit,
на фиг.2 - разрез по А-А,figure 2 is a section along aa,
на фиг.3 - вид Б первого варианта,figure 3 - view B of the first embodiment,
на фиг.4 - вид Б второго варианта,figure 4 - view B of the second option,
на фиг.5 - вид Б третьего варианта,figure 5 - view B of the third option,
на фиг.6 - конструкция поршня.figure 6 - design of the piston.
Турбонасосный агрегат (фиг.1) содержит центробежный насос 1 и две турбины 2. Центробежный насос 1 содержит внешний вал 3, который выполнен пустотелым. На внешнем 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. Внешний вал 3 установлен на подшипнике 9 в корпусе 10. Внутренний вал 11 проходит внутри ступицы 5 и установлен на радиальном и упорном внутренних подшипниках 12 и 13 соответственно. На внутреннем валу 11 со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 установлен шнек 14.The turbopump unit (Fig. 1) contains a centrifugal pump 1 and two turbines 2. The centrifugal pump 1 contains an external shaft 3, which is made hollow. A centrifugal impeller 4 is installed on the outer shaft 3. The centrifugal impeller 4 contains a hub 5, blades 6, a front wall 7 and cavities 8 between the blades 6 and the front wall 7. The outer shaft 3 is mounted on a bearing 9 in the housing 10. The
Турбины 2 содержат первую и вторую турбины 15 и 16 соответственно, при этом эти турбины независимы друг от друга, т.е. не связаны механически и могут вращаться с различными угловыми скоростями. На одном конце внешнего вала 3 закреплено рабочее колесо 4 центробежного насоса, а на противоположном его конце - рабочее колесо 17 первой турбины 15. На одном конце внутреннего вала 11 установлен шнек 14, а на противоположном конце внутреннего вала 11 установлено рабочее колесо 18 второй турбины 16. Рабочие колеса 17 и 18 содержат рабочие лопатки 19 и 20 соответственно. Перед рабочими лопатками 19 и 20 закреплены соответственно сопловые аппараты 21 и 22. Рабочие лопатки 19 и 20 и сопловые аппараты 21 и 22 установлены в корпусе 23 турбин 2. Между первой турбиной 15 и второй турбиной 16 установлена диафрагма 24. Между корпусом 23 двух турбин 2 и внешним валом 3 в центральной части выполнена задняя полость 25, в которой установлена вторая турбина 16. Рабочее колесо 18 второй турбины 16 имеет меньший диаметр, чем рабочее колесо 17 первой турбины 15. Это необходимо для того, чтобы вторая турбина 16 получилась меньшей мощности, чем первая турбина 15.The turbines 2 contain the first and second turbines 15 and 16, respectively, while these turbines are independent of each other, i.e. not mechanically coupled and can rotate at different angular speeds. A rotor impeller 4 of the centrifugal pump is fixed at one end of the outer shaft 3, and an impeller 17 of the first turbine 15 is mounted at its opposite end. A
К корпусу 10 центробежного насоса 1 подстыкованы входной корпус 26, имеющий полость 27, и выходной корпус 28, имеющий полость 29. Между корпусом 10 и центробежным рабочим колесом 2 выполнено переднее уплотнение 30. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 4 на его ступице 5 выполнены заднее уплотнение 31 и разгрузочная полость 32. Внутри ступицы 5 выполнена промежуточная полость 33. В ступице 5 центробежного колеса 4 выполнены внутренняя полость 34 и отверстия 35 (фиг.1 и 3). При этом отверстия 35 соединяют полость 8 с промежуточной полостью 33 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта в центробежное рабочее колесо 4. Отверстия 35 выполнены или под углом 90° (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°). Это исключит движения вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства. На внутреннем валу 11 против промежуточной полости 33 выполнены радиальные отверстия 36. Внутренняя полость 34 радиальными отверстиями 36, выполненными во внутреннем валу 11, соединяет промежуточную полость 33 с полостью вала 37, выполненной внутри внутреннего вала 11.An input housing 26 having a cavity 27 and an
Внутри отверстий 35 могут быть установлены центробежные регуляторы расхода 38 (фиг.4…5). Центробежные регуляторы расхода 38 выполнены с возможностью уменьшения расхода перекачиваемого продукта через них при увеличении скорости вращения внешнего вала насоса. Inside the
Конструкция центробежного регулятора расхода 38 приведена на фиг.4…6. Он содержит седло 39, клапан 40 со штоком 41 и поршнем 42. Внутри седла 39 установлена пружина 43, упирающаяся в поршень 42 и создающая усилие, направленное к оси насоса OO., т.е. открывающее центробежный регулятор расхода 38. В поршне 42 выполнены отверстия 44 (фиг.6) для возврата части расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4.The design of the
Внутри внешнего вала 3 между центробежным насосом 1 и двумя турбинами 2 выполнена задняя полость 45, уплотненная внутренним уплотнением 46. В этой полости установлен подшипник 13 (фиг.1). Между центробежным насосом 1 и двухступенчатой турбиной 2 установлено внешнее уплотнение 47, которое отделяет подшипник 9 от обеих турбин 2. Радиальные отверстия 48 выполнены во внутреннем валу 11 и соединяют полости 45 и 37 для смазки подшипников 9 и 13. Радиальные отверстия 49 выполнены во внешнем валу 3. Подшипник 9 установлен в корпусе 50. Обе турбины 2 имеют присоединенные к корпусу 23 входной патрубок 51, выполненный со стороны центробежного насоса 1, и выхлопной патрубок 52, выполненный с противоположной стороны. К второй ступени турбины 16 подведены подводящий канал, имеющий отверстия 53, выполненные во внешнем валу 3, и полость 54 внутри этого вала. От второй турбины 16 отведен отводящий канал, имеющий отверстия 55, выполненные в цилиндрической стенке 56, и кольцевой зазор 57, соединяющий полость 58 между диафрагмой 24 и полостью 59 внутри патрубка 52. На рабочем колесе 17 первой турбины 15 со стороны насоса выполнена разгрузочная полость 60.Inside the outer shaft 3 between the centrifugal pump 1 and the two turbines 2 there is a rear cavity 45 sealed with an internal seal 46. A bearing 13 is installed in this cavity (Fig. 1). An external seal 47 is installed between the centrifugal pump 1 and the two-stage turbine 2, which separates the bearing 9 from both turbines 2. The radial holes 48 are made in the
При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 51 внутрь турбины 2 и проходит через сопловой аппарат 21, рабочие лопатки 19. Незначительная часть общего расхода газа (10…15%) поступает по отверстиям 53 в полость 54 и далее - в сопловой аппарат 22 и рабочие лопатки 20 второй турбины 16, раскручиваются внешний вал 3 с центробежным рабочим колесом 4 и внутренний вал 11 со шнеком 14. При этом внутренний вал 11 вращается в 3…4 раза с меньшей скоростью, чем внешний вал 3. Валы 3 и 11 вращаются в одну сторону, но с различными угловыми скоростями.. Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т.е. в полости 29, повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (5…7%) через заднее уплотнение 31 поступает в разгрузочную полость 32, проходит через подшипник 7, наклонные отверстия 49, радиальные отверстия 48 в полость 37 и через радиальные отверстия 36 поступает во внутреннюю полость 33 и далее в отверстия 35 и возвращается в полость 8 центробежного рабочего колеса 4.When starting the turbopump assembly, gas is supplied through the inlet 51 to the inside of the turbine 2 and passes through the nozzle apparatus 21, the working blades 19. An insignificant part of the total gas flow rate (10 ... 15%) enters through the openings 53 into the cavity 54 and then into the nozzle apparatus 22 and the rotor blades 20 of the second turbine 16, the outer shaft 3 with a centrifugal impeller 4 and the
Так как шнек 14 вращается с угловой скоростью, в 2…3 раза меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4, тем самым предотвращается кавитация на ее входе. Из-за пониженных оборотов самого шнека 14 кавитация на их входных кромках также исключается. Шнек 14 повышает давление в полости между шнеком 14 и центробежным рабочим колесом 4, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе в шнек 14. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на вход в шнек 14 и на вход в центробежное рабочее колесо 4 отсутствует, так как перепуск организован внутрь центробежного рабочего колеса 4. При наличии центробежного регулятора расхода 38 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 40, увеличиваются, клапан 40 сжимает пружину 42, зазор между клапаном 40 и седлом 39 уменьшается.. Это позволит повысить КПД центробежного насоса 1 и одновременно улучшить его кавитационные свойства, так как ограничивает перепуск подогретого перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4 и препятствует уменьшению его объемного КПД.Since the
При работе ТНА в разгрузочных полостях 32 центробежного насоса 1 и в разгрузочной полости 60 турбины 2 возникает пониженное давление перекачиваемого продукта и газа соответственно. Это способствует уменьшению осевых сил, действующих на внешний вал 3. Разгрузка осевых сил, действующих на внутренний вал 11, происходит из-за того, что осевые силы, действующие на шнек 14 и рабочее колесо 18 второй турбины 16, компенсируются.When TNA operates in the discharge cavities 32 of the centrifugal pump 1 and in the discharge cavity 60 of the turbine 2, a reduced pressure of the pumped product and gas, respectively, occurs. This helps to reduce the axial forces acting on the outer shaft 3. The unloading of the axial forces acting on the
Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:
1) значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека;1) significantly improve the cavitation properties of the pump through the use of two screws, reducing the speed of rotation of the screw;
2) обеспечить разгрузку осевых сил внутреннего и внешнего валов;2) to provide unloading of axial forces of internal and external shafts;
3) спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимой по прочности;3) to design a pump of very high power by increasing the speed of the centrifugal impeller of the pump to the maximum permissible strength;
4) предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе;4) to prevent a stall of the flow of the pumped component in the pump due to cavitation at its inlet;
5) создать турбонасосный агрегат с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности.5) create a turbopump unit with a minimum weight and dimensions with high pressure and performance.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009142154/06A RU2418986C1 (en) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Turbo-pump unit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009142154/06A RU2418986C1 (en) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Turbo-pump unit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2418986C1 true RU2418986C1 (en) | 2011-05-20 |
Family
ID=44733732
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009142154/06A RU2418986C1 (en) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Turbo-pump unit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2418986C1 (en) |
-
2009
- 2009-11-16 RU RU2009142154/06A patent/RU2418986C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2418194C1 (en) | Rocket engine turbopump assy | |
RU2418986C1 (en) | Turbo-pump unit | |
CN201090516Y (en) | Middle opening single suction multilevel diffuser centrifugal pump | |
RU2418987C1 (en) | Turbo-pump unit | |
RU2481489C1 (en) | Turbo-pump unit of rocket engine | |
RU2409753C1 (en) | Lpre turbo pump unit | |
RU2423621C1 (en) | Turbine pump | |
RU2418988C1 (en) | Turbo-pump unit | |
RU2352820C1 (en) | Auger-centrifugal pump | |
RU2414627C1 (en) | Turbine-driven pump assembly | |
RU2384740C1 (en) | Auger centrifugal pump | |
RU2410569C1 (en) | Centrifugal screw pump | |
RU2418989C1 (en) | Turbo-pump unit | |
US11460013B2 (en) | Bent axis hydraulic pump with centrifugal assist | |
RU2418983C1 (en) | Centrifugal screw pump | |
RU2406860C1 (en) | Lpre turbo pump unit | |
RU2414626C1 (en) | Centrifugal screw pump | |
RU2391563C1 (en) | Centrifugal pump | |
US11702937B2 (en) | Integrated power pump | |
RU2445515C1 (en) | Centrifugal screw pump | |
RU2445514C1 (en) | Centrifugal screw pump | |
RU2388939C1 (en) | Centrifugal screw pump | |
AU2019477645B2 (en) | Impeller locking collar | |
RU2351804C1 (en) | Worm centrifugal pump | |
RU2389906C1 (en) | Centrifugal pump |