RU2418987C1

RU2418987C1 - Turbo-pump unit

Info

Publication number: RU2418987C1
Application number: RU2009142084/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: unit includes housings 10, 22, 23, 26, centrifugal screw pump, screw 14 and turbine 2. Pump includes centrifugal impeller 4 with hub 5 having inner cavity 32, and installed on outer shaft 3 which is installed in bearing 7 protected with seal 45. Turbine 2 includes two stages 15, 16 with guide vanes 21, 22 and impellers 17, 18. Inner shaft 11 is installed inside shaft 3 on bearings 12, 13. Turbine 2 is birotary. Impellers 17, 18 of turbine 2 are installed on outer and inner shafts 3, 9 respectively, and screw 14 is installed on outer shaft 3.

EFFECT: improving cavitation properties of pump included in turbo-pump unit, and removing axial forces from inner and outer shafts.

3 cl, 6 dwg

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 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 cryogenic components.

Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ на изобретение №2094660, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса, 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 housing, centrifugal 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, 10.03.1998. 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, 03/10/1998. 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.

Наиболее близким к изобретению является турбонасосный агрегат (ТНА) по патенту РФ на изобретение №2083881, содержащий корпуса, шнекоцентробежный насос, содержащий в свою очередь центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на внешнем валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, двухступенчатую турбину, содержащую в свою очередь две ступени с рабочими колесами и сопловой аппарат.Closest to the invention is a turbopump assembly (TNA) according to the RF patent for invention No. 2083881, comprising housings, a screw centrifugal pump, which in turn contains a centrifugal impeller with a hub having an internal cavity mounted on an external shaft that is mounted in a bearing protected by a seal , and a screw, a two-stage turbine, which in turn contains two stages with impellers and a nozzle apparatus.

Недостатками известного ТНА являются 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.The disadvantages of the known TNA are the 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.

Задачей создания изобретения является 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.

Технический результат достигается за счет того, что в турбонасосном агрегате, содержащем корпуса, центробежный насос, содержащий в свою очередь центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на внешнем валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и турбину, содержащую в свою очередь две ступени с сопловыми аппаратами и рабочими колесами, согласно изобретению внутри вала на подшипниках установлен внутренний вал, рабочие колеса двухступенчатой турбины установлены соответственно на внешнем и внутреннем валах, турбина выполнена биротативной, с вращением рабочих колес в противоположные стороны, на внешнем валу перед центробежным рабочим колесом установлен шнек. Внутри ступицы центробежного рабочего колеса выполнены промежуточная полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса. Внутри сквозных отверстий могут быть установлены центробежные регуляторы расхода.The technical result is achieved due to the fact that in a turbopump assembly containing housings, a centrifugal pump, which in turn contains a centrifugal impeller with a hub having an internal cavity mounted on an external shaft that is mounted in a bearing protected by a seal, and a turbine containing in turn, two stages with nozzle devices and impellers, according to the invention, an internal shaft is mounted on the bearings inside the shaft, the impellers of the two-stage turbine are respectively mounted on external and internal shafts, the turbine is made birotative, with the rotation of the impellers in opposite directions, on the external shaft in front of the centrifugal impeller a screw is installed. Inside the hub of the centrifugal impeller, an intermediate cavity and through holes are made connecting the inner cavity of the hub with the cavity inside the centrifugal impeller. Centrifugal flow controllers can be installed inside the through holes.

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;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;figure 2 is a section aa in figure 1;

на фиг.3 - узел Б на фиг.1, первый вариант;figure 3 - node B in figure 1, the first option;

на фиг.4 - то же, второй вариант;figure 4 is the same, the second option;

на фиг.5 - то же, третий вариант;figure 5 is the same, the third option;

на фиг.6 - конструкция поршня.figure 6 - design of the piston.

Турбонасосный агрегат (фиг.1) содержит центробежный насос 1 и двухступенчатую турбину 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 9 со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 установлен шнек 14.The turbopump unit (Fig. 1) contains a centrifugal pump 1 and a two-stage turbine 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 inner shaft 11 passes inside the hub 5 and mounted on a radial and thrust internal bearings 12 and 13, respectively. On the inner shaft 9 from the entrance to the centrifugal impeller 4, a screw 14 is installed.

Двухступенчатая турбина 2 содержит первую и вторую ступени 15 и 16 соответственно, при этом эти ступени независимы друг от друга, т.е. не связаны механически и могут вращаться с различными угловыми скоростями в противоположном направлении. На противоположном конце внешнего вала 3 закреплено рабочее колесо 17 первой ступени 15 двухступенчатой турбины 2. На противоположном конце внутреннего вала 11 установлено рабочее колесо 18 второй ступени 16 турбины 2. Рабочие колеса 17 и 18 содержат рабочие лопатки 19 и 20 соответственно. Перед рабочими колесами 19 и 20 закреплены соответственно сопловые аппараты 21 и 22. Рабочие колеса 19 и 20 и сопловой аппарат 21 установлены в корпусе 22 двухступенчатой турбины 2.The two-stage turbine 2 contains the first and second stages 15 and 16, respectively, while these stages are independent of each other, i.e. not mechanically connected and can rotate at different angular speeds in the opposite direction. At the opposite end of the outer shaft 3, the impeller 17 of the first stage 15 of the two-stage turbine 2 is fixed. At the opposite end of the inner shaft 11, the impeller 18 of the second stage 16 of the turbine 2 is installed. The impellers 17 and 18 contain the blades 19 and 20, respectively. In front of the impellers 19 and 20, nozzle apparatuses 21 and 22 are fixed respectively. The impellers 19 and 20 and the nozzle apparatus 21 are installed in the housing 22 of the two-stage turbine 2.

К корпусу 10 подстыкованы входной корпус 23, имеющий полость 24. Между шнеком 14 и центробежным рабочим колесом образуется полость 25. К корпусу 10 также подсоединен выходной корпус 26 центробежного насоса 2, имеющий полость 27. Между корпусом 10 и центробежным рабочим колесом 4 выполнено переднее уплотнение 28. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 2 на его ступице 3 выполнены заднее уплотнение 29 и разгрузочная полость 30. Внутри ступицы 5 выполнена промежуточная полость 31. В ступице 5 центробежного колеса 4 выполнены внутренняя полость 32 и отверстия 33 (фиг.1 и 3). При этом отверстия 33 соединяют полость 8 с внутренней полостью 32 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта в центробежное рабочее колесо 4. Отверстия 33 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. Во внутреннем валу 11 против промежуточной полости 31 выполнены радиальные отверстия 34. Промежуточная полость 31 радиальными отверстиями 34, выполненными во внутреннем валу 11, соединена с полостью 35, выполненной во внутреннем валу 11.An input housing 23 having a cavity 24 is connected to the housing 10. A cavity 25 is formed between the screw 14 and the centrifugal impeller. An output housing 26 of the centrifugal pump 2 having a cavity 27 is also connected to the housing 10. A front seal is made between the housing 10 and the centrifugal impeller 4. 28. From the rear end side of the centrifugal impeller 2, a rear seal 29 and an unloading cavity 30 are made on its hub 3. An intermediate cavity 31 is made inside the hub 5. An inner cavity is made in the hub 5 of the centrifugal wheel 4 b 32 and holes 33 (figures 1 and 3). In this case, the openings 33 connect the cavity 8 to the internal cavity 32 and are designed to return the flow rate of the pumped product selected for the lubrication of the bearings to the centrifugal impeller 4. The openings 33 are made either at an angle of 90 ° (i.e., radially 3 and 4 or perpendicular to axis of the pump, FIG. 5), or at an acute angle to the axis of the pump (i.e., at an angle of less than 90 °). This will exclude the movement of the introduced heated leakage of the pumped product towards the pump inlet and thereby improve its cavitation properties. Radial holes 34 are made in the inner shaft 11 against the intermediate cavity 31. The intermediate cavity 31 with radial holes 34 made in the inner shaft 11 is connected to the cavity 35 made in the inner shaft 11.

Внутри отверстий 33 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 насосаInside the holes 33 can be installed centrifugal flow control 36 (Fig.4, 5). Centrifugal flow controllers 36 are configured to reduce the flow rate of the pumped product through them with increasing rotation speed of the external pump shaft

Конструкция возможного варианта центробежного регулятора расхода 36 приведена на фиг.4…6. Регулятор содержит седло 37, клапан 38 со штоком 39 и поршнем 40. Внутри седла 37 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. Возможны и другие варианты исполнения.The design of a possible variant of the centrifugal flow controller 36 is shown in figure 4 ... 6. The controller comprises a seat 37, a valve 38 with a stem 39 and a piston 40. A spring 41 is installed inside the seat 37, abutting against the piston 40 and creating a force directed to the axis of the pump ОО, i.e. opening the centrifugal flow controller 36. In the piston 40, holes 42 are made (Fig. 6) for returning a part of the flow rate of the pumped product into the centrifugal impeller 2. Other versions are possible.

Внутри внешнего вала 3 между центробежным насосом 1 и двухступенчатой турбиной 2 выполнена задняя полость 43, уплотненная с обеих сторон внутренними уплотнениями 44. В этой полости установлен подшипник 13 (фиг.1). Между центробежным насосом 1 и двухступенчатой турбиной 2 установлено внешнее уплотнение 45, которое отделяет подшипник 9 от турбины 2. Радиальные отверстия 46 выполнены во внутреннем валу 11 и соединяют полости 43 и 35 для смазки подшипников 9 и 13. Наклонные отверстия 47 выполнены во внешнем валу 3. Подшипник 9 установлен в корпусе 48 подшипника. Двухступенчатая турбина 2 имеет присоединенные к корпусу 23 входной патрубок 49, выполненный со стороны центробежного насоса 1 и выходной патрубок 50, выполненный с противоположной стороны.Inside the outer shaft 3 between the centrifugal pump 1 and the two-stage turbine 2, a rear cavity 43 is made, sealed on both sides by internal seals 44. A bearing 13 is installed in this cavity (Fig. 1). An external seal 45 is installed between the centrifugal pump 1 and the two-stage turbine 2, which separates the bearing 9 from the turbine 2. Radial holes 46 are made in the inner shaft 11 and connect the cavities 43 and 35 to lubricate the bearings 9 and 13. The inclined holes 47 are made in the outer shaft 3 Bearing 9 is mounted in bearing housing 48. The two-stage turbine 2 has an inlet pipe 49 connected to the casing 23, made on the side of the centrifugal pump 1, and an outlet pipe 50, made on the opposite side.

При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 49 внутрь двухступенчатой турбины 2 и проходит через сопловой аппарат 21, рабочие лопатки 19, сопловой аппарат 22 и рабочие лопатки 20, раскручивается внешний вал 3 с центробежным рабочим колесом 4 и внутренний вал 11 со шнеком 14. При этом внутренний вал 11 вращается в 2…3 раза с меньшей скоростью, чем внешний вал 3. Валы 3 и 11 вращаются в противоположные стороны с различными угловыми скоростями. Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т.е. в полости 27, повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (5…7%) через заднее уплотнение 29 поступает в разгрузочную полость 30, проходит через подшипник 9, наклонные отверстия 47, радиальные отверстия 46 в полость 35 и через радиальные отверстия 34 поступает в полость 31, далее в отверстия 33 и возвращается в полость 8 центробежного рабочего колеса 4.When starting the turbopump unit, gas is supplied through the inlet pipe 49 into the two-stage turbine 2 and passes through the nozzle apparatus 21, the working blades 19, the nozzle apparatus 22 and the working blades 20, the outer shaft 3 with a centrifugal impeller 4 and the inner shaft 11 with the screw 14 are untwisted. In this case, the inner shaft 11 rotates 2 ... 3 times at a lower speed than the outer shaft 3. The shafts 3 and 11 rotate in opposite directions with different angular speeds. Inside the centrifugal impeller 4 and at the exit from it, i.e. in the cavity 27, the pressure of the pumped product increases, and part (5 ... 7%) through the rear seal 29 enters the unloading cavity 30, passes through the bearing 9, the inclined holes 47, the radial holes 46 into the cavity 35 and through the radial holes 34 enter cavity 31, then into the holes 33 and returns to the cavity 8 of the centrifugal impeller 4.

Так как шнек 14 вращается с угловой скоростью, в 2…3 раза меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4, предотвращается кавитация на его входе. Из-за пониженных оборотов самого шнека 14 кавитация на входных кромках лопастей 6 также исключается. Шнек 14 повышает давление в полости 25 между шнеком 12 и центробежным рабочим колесом 4, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе в колесо 4. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на входе в шнек 14 и на входе в центробежное рабочее колесо 4 отсутствует, так как перепуск организован внутрь рабочего центробежного рабочего колеса 4. Наличие центробежного регулятора расхода 36 позволяет повысить КПД центробежного насоса 1. Напор, создаваемый насосом, также повысится благодаря противоположному вращению шнека 14 и колеса 4.Since the screw 14 rotates with an angular speed 2 ... 3 times less than the centrifugal impeller 4, cavitation at its input is prevented. Due to the reduced revolutions of the screw 14 itself, cavitation at the input edges of the blades 6 is also excluded. The screw 14 increases the pressure in the cavity 25 between the screw 12 and the centrifugal impeller 4, creating favorable conditions from the point of view of preventing cavitation at the entrance to the wheel 4. There is no bypass of the heated pumped product at the entrance to the screw 14 and at the entrance to the centrifugal impeller 4, so how the bypass is organized inside the working centrifugal impeller 4. The presence of a centrifugal flow controller 36 allows to increase the efficiency of the centrifugal pump 1. The pressure created by the pump will also increase due to the opposite rotation ju auger 14 and wheel 4.

Применение изобретения позволяет:The application of the invention allows:

1) значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет уменьшения скорости вращения шнека;1) significantly improve the cavitation properties of the pump by 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 допустимых 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 за счет применения биротативной турбины.5) to create a turbopump unit with a minimum weight and dimensions with high pressure and performance through the use of a biotic turbine.

Claims

1. A turbopump assembly comprising housings, a screw centrifugal pump, comprising, in turn, a centrifugal impeller with a hub having an internal cavity mounted on an external shaft that is mounted in a bearing protected by a seal, and a screw, a two-stage turbine, containing in turn, two stages with impellers and a nozzle apparatus, characterized in that an internal shaft is mounted on the bearings inside the shaft, the two-stage turbine is made biotative, i.e. with the possibility of rotation of the impellers in opposite directions, the impellers of the turbine are mounted respectively on the external and internal shafts, and the screw is mounted on the external shaft.

2. The turbopump assembly according to claim 1, characterized in that an intermediate cavity and through holes are made inside the hub connecting the inner cavity of the hub with the cavity inside the centrifugal impeller.

3. The turbopump assembly according to claim 2, characterized in that centrifugal flow controllers are installed inside the through holes.