RU2513023C2

RU2513023C2 - Method of flawless operation of liquid-propellant all-mode rocket engine turbo pump at high throttling

Info

Publication number: RU2513023C2
Application number: RU2012132688/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Сидоренко
Original assignee: Открытое акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко"
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-04-20
Also published as: RU2012132688A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly to high rpm auger rotor turbo pumps of throttled liquid-propellant rocket engines. Proposed method consists in using booster pumps upstream of the main pumps. Every booster pump is driven by gas or hydraulic turbine. Note here that inlet of every turbine is communicated via pipeline with outlet of one of said pumps in hydraulic turbine and, in gas turbine, with gas line of turbo pump turbine. Note also that at pressure drop at pump inlet below that required for continuous operation of the pumps possible at high throttling head at booster pumps is increased by working fluid feed to extra nozzles with their intake manifolds. The latter are preliminary mounted in said turbines via pipelines with control devices. The latter can be composed by multiple station valves or pressure control valves.

EFFECT: cavitation-free operation of fuel feed turbo pumps at low loads.

3 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к высокооборотным шнекоцентробежным насосам, преимущественно к насосам, к которым предъявляются высокие требования по обеспечению антикавитационных свойств (характеристик) в широком диапазоне регулирования, например к насосам турбонасосных агрегатов дросселируемых жидкостных ракетных двигателей.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to high-speed screw centrifugal pumps, mainly to pumps, which have high requirements for ensuring anti-cavitation properties (characteristics) in a wide control range, for example, to pumps of turbopump aggregates of throttled liquid propellant rocket engines.

Предшествующий уровень техникиState of the art

В технике известен способ обеспечения высоких антикавитационных качеств высокооборотных шнекоцентробежных насосов турбонасосного агрегата (ТНА) обеспечиваются с помощью различных вспомогательных (бустерных) насосов, обладающих высокими антикавитационными качествами и установленными перед входом в основные насосы. Бустерные насосы поддерживают давления на входе в основные насосы ТНА, на уровне необходимом для бессрывной работы (см. например Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. - 3-е изд., перераб. и доп. М., Машиностроение, 1986 г. С.211-212). Указанный способ принимаем за аналог предлагаемого изобретения.A technique is known in the art for providing high anti-cavitation qualities of high-speed screw-centrifugal pumps of a turbopump assembly (TNA) using various auxiliary (booster) pumps with high anti-cavitation qualities and installed in front of the main pumps. Booster pumps maintain pressure at the inlet to the main TNA pumps at the level necessary for continuous operation (see, for example, Ovsyannikov B.V., Borovsky B.I. Theory and design of power units for liquid rocket engines. - 3rd ed., Revised. and add. M., Engineering, 1986, S. 211-212). The specified method is taken as an analogue of the invention.

Недостатком аналога является то, что для упомянутых бустерных насосов не предусматривается регулирование режима их работы, следовательно, напор бустерных насосов необходимо будет определять применительно к режиму работы двигателя, при котором для обеспечения работы основных насосов потребуется максимальное входное давление. Таким образом, при изменении режима работы двигателя, прежде всего при его дросселировании, напор, развиваемый бустерными насосами, может оказаться неоптимальным для обеспечения работы основных насосов, что приводит к излишним затратам мощности.A disadvantage of the analogue is that for the above-mentioned booster pumps it is not provided for the regulation of their operation mode, therefore, the pressure of the booster pumps will need to be determined in relation to the engine operating mode, in which the maximum inlet pressure will be required to ensure the operation of the main pumps. Thus, when changing the operating mode of the engine, primarily during throttling, the pressure developed by booster pumps may not be optimal for the operation of the main pumps, which leads to excessive power consumption.

В технике также известен способ обеспечения высоких антикавитационных качеств высокооборотных шнекоцентробежных насосов турбонасосного агрегата (ТНА) с помощью вспомогательных (бустерных) насосов, обладающих высокими антикавитационными качествами и установленных перед входом в основные насосы. В качестве бустерных насосов используются лопаточные насосы с приводом от турбин, гидравлических или газовых, встроенных непосредственно в конструкцию бустерных насосов, при этом рабочее тело для турбин отбирается из магистралей двигателя. В случае применения гидравлической турбины отбор осуществляется с выхода насоса, на входе в который установлен бустерный насос, а в случае применения газовой турбины - из газового тракта, расположенного за турбиной ТНА. При этом параметры рабочего тела турбин, приводящих бустерные насосы, напрямую зависят только от режима работы двигателя, поскольку характеристики, (зависимость гидравлического сопротивления от расхода) трубопроводов, по которым на турбины подаются рабочие тела, являются постоянными.A technique is also known in the art for providing high anti-cavitation qualities of high-speed screw-centrifugal pumps of a turbopump unit (TNA) using auxiliary (booster) pumps with high anti-cavitation qualities and installed in front of the main pumps. As booster pumps, vane pumps are used that are driven by turbines, hydraulic or gas, built directly into the design of booster pumps, while the working fluid for the turbines is taken from the motor lines. In the case of using a hydraulic turbine, selection is made from the pump outlet, at the inlet of which a booster pump is installed, and in the case of using a gas turbine, from the gas path located behind the TNA turbine. In this case, the parameters of the working fluid of the turbines that drive the booster pumps directly depend only on the engine operating mode, since the characteristics, (dependence of hydraulic resistance on flow rate) of the pipelines through which the working fluids are fed to the turbines are constant.

Указанный способ, реализованный в системе подачи, изображенной на схеме двигателя РД180 (см. Двигатели 1944-2000: - авиационные, ракетные, морские, промышленные. М., «АКС-Конверсалт», 2000 г. С.270), принимаем за прототип предлагаемого изобретения.The specified method, implemented in the feed system depicted on the RD180 engine diagram (see Engines 1944-2000: - aviation, rocket, marine, industrial. M., "AKS-Conversalt", 2000, S. 270), we take for the prototype the present invention.

Недостатком прототипа является то, что изменение параметров рабочих тел, используемых для работы турбин, связанное с изменением режима работы двигателя, приводит к изменению напора, развиваемого бустерными насосами. Так во время дросселирования двигателя уменьшается давление на входе в турбины, приводящие бустерные насосы, а для газовой турбины уменьшается еще и температура. В результате падает частота вращения бустерных насосов и их напор. На режимах же глубокого дросселирования двигателя, падение напора бустерных насосов может оказаться таким, что приведет к снижению давления на входе в насосы до уровня, недостаточного для их бессрывной работы, что в свою очередь может привести к падению напора основных насосов до уровня, недопустимого для нормальной работы турбонасосного агрегата в составе двигателя. При этом постоянство характеристик трубопроводов не позволяет скомпенсировать падение давления за счет увеличения мощности турбин, приводящих бустерные насосы.The disadvantage of the prototype is that a change in the parameters of the working fluid used to operate the turbines, associated with a change in the operating mode of the engine, leads to a change in the pressure developed by the booster pumps. So during throttling of the engine, the pressure at the inlet to the turbines leading to the booster pumps decreases, and the temperature decreases for the gas turbine. As a result, the speed of the booster pumps and their pressure drop. In the regimes of deep throttling of the engine, the pressure drop of the booster pumps may turn out to be such that it leads to a decrease in the pressure at the inlet of the pumps to a level insufficient for their continuous operation, which in turn can lead to a drop in the pressure of the main pumps to a level unacceptable for normal the operation of the turbopump assembly as part of the engine. At the same time, the constancy of the characteristics of the pipelines does not allow to compensate for the pressure drop due to an increase in the power of the turbines that drive the booster pumps.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении бессрывной или бескавитационной работы насосов турбонасосного агрегата, входящего в состав системы подачи, при работе на низких режимах.The technical problem to which the invention is directed, is to ensure continuous or cavitation-free operation of the pumps of the turbopump unit, which is part of the supply system, when operating at low conditions.

Это достигается тем, что в способе обеспечения бессрывной работы насосов турбонасосного агрегата дросселируемого жидкостного ракетного двигателя, основанном на установке перед насосами бустерных насосов, привод каждого из которых осуществляется турбиной газовой или гидравлической, при этом вход в каждую турбину гидравлически соединен с помощью трубопровода либо с выходом одного из насосов в случае гидротурбины, либо с газовым трактом, расположенным за турбиной турбонасосного агрегата, в случае газовой турбины, при этом при снижении давления на входе в насосы ниже уровня, необходимого для бессрывной работы насосов, возможного при глубоком дросселировании двигателя, осуществляют повышение напоров бустерных насосов путем подвода рабочего тела к дополнительным сопловым аппаратам со своими входными коллекторами, предварительно установленными в указанных турбинах, через трубопроводы с регулирующими устройствами.This is achieved by the fact that in the method for ensuring the continuous operation of the pumps of the turbopump unit of a throttle liquid rocket engine, based on the installation of booster pumps in front of the pumps, each of which is driven by a gas or hydraulic turbine, while the entrance to each turbine is hydraulically connected via a pipeline or with an outlet one of the pumps in the case of a hydraulic turbine, or with a gas path located behind the turbine of the turbopump unit, in the case of a gas turbine, while reducing The pressure at the pump inlet below the level required for bessryvnoy pump operation possible at a deep engine throttling, carried increase pressures booster pump through the propellant feed additional nozzle with its inlet header, pre-installed in said turbine through pipes with regulating devices.

Кроме того, в качестве регулирующих устройств могут быть применены многопозиционные клапаны или регуляторы давления.In addition, multi-position valves or pressure regulators can be used as control devices.

Полученный технический результат заключается в том, что на режимах глубокого дросселирования бессрывная работа насосов достигается за счет форсирования бустерных насосов.The technical result obtained is that in deep throttling modes, the continuous operation of the pumps is achieved by forcing booster pumps.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 представлена схема насосной системы подачи, в которой реализован предлагаемый способ в варианте с дополнительными сопловыми аппаратами в турбинах бустерных насосов, гидравлически соединенными с трубопроводами подвода рабочего тела на основные турбины бустерных насосов через регулирующие устройства.Figure 1 presents a diagram of the pumping supply system, which implements the proposed method in the embodiment with additional nozzle devices in the turbines of the booster pumps, hydraulically connected to the pipelines for supplying the working fluid to the main turbines of the booster pumps through control devices.

Пример реализации изобретенияAn example implementation of the invention

Система подачи по фиг.1, в которой реализован предлагаемый способ, содержащая турбонасосный агрегат 1, включающий в себя турбину 2 и насосы 3 и 4, а также установленные перед насосами бустерные насосы 5 и 6, привод каждого из которых осуществляется турбиной, газовой 7 или гидравлической 8, каждая из которых имеет сопловой аппарат 9 или 10 с входным коллектором 11 или 12. Входные коллекторы 11 и 12 гидравлически соединены трубопроводами 13 и 14 с источниками рабочего тела. При этом отбор рабочего тела для газовой турбины 7 осуществляется по трубопроводу 13 из газового тракта 15, расположенного за турбиной 2 турбонасосного агрегата 1, а для гидротурбины 8 - по трубопроводу 14 с выхода насоса 4, перед которым установлен бустерный насос 6.The supply system of figure 1, which implements the proposed method comprising a turbopump unit 1, comprising a turbine 2 and pumps 3 and 4, as well as booster pumps 5 and 6 installed in front of the pumps, each of which is driven by a turbine, gas 7 or hydraulic 8, each of which has a nozzle apparatus 9 or 10 with an inlet manifold 11 or 12. Inlet manifolds 11 and 12 are hydraulically connected by pipelines 13 and 14 to the sources of the working fluid. In this case, the selection of the working fluid for the gas turbine 7 is carried out through the pipeline 13 from the gas path 15 located behind the turbine 2 of the turbopump unit 1, and for the hydraulic turbine 8 - through the pipeline 14 from the outlet of the pump 4, in front of which the booster pump 6 is installed.

В турбинах 7 и 8 установлены дополнительные сопловые аппараты 16 и 17 с входными коллекторами 18 и 19, которые трубопроводами 20 и 21 с установленными в них регулирующими устройствами 22 и 23 гидравлически соединены либо непосредственно с источником рабочего тела турбины, либо с трубопроводом 13 или 14, через который осуществляется гидравлическое соединение входных коллекторов 11 и 12 турбин 7 и 8 с источником рабочего тела.In the turbines 7 and 8, additional nozzle devices 16 and 17 are installed with inlet manifolds 18 and 19, which are connected hydraulically either directly to the source of the working fluid of the turbine or to a pipe 13 or 14, by pipelines 20 and 21 with the regulating devices 22 and 23 installed in them. through which the hydraulic connection of the input manifolds 11 and 12 of the turbines 7 and 8 is made with the source of the working fluid.

При дросселировании двигателя ниже заданного режима регулирующие устройства 22 и 23 срабатывают, подключая трубопроводы 20 и 21 к источникам рабочего тела, обеспечивая тем самым подачу рабочего тела во входные коллекторы 18 и 19 дополнительных сопловых аппаратов 16 и 17, что приводит к увеличению мощности турбин, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 22 и 23 отключают трубопроводы 20 и 21 и, соответственно, дополнительные сопловые аппараты 16 и 17 от источников рабочего тела.When the engine is throttled below a predetermined mode, the control devices 22 and 23 are activated, connecting the pipelines 20 and 21 to the sources of the working fluid, thereby supplying the working fluid to the input manifolds 18 and 19 of the additional nozzle apparatuses 16 and 17, which leads to an increase in turbine power and boosting booster pumps, increasing their pressure and increasing pressure at the inlet to the main pumps. When the engine is forced back above the same limit, the control devices 22 and 23 disconnect the pipelines 20 and 21 and, accordingly, the additional nozzle devices 16 and 17 from the sources of the working fluid.

В принципе, возможен и другой вариант решения задачи, более простой технологически, поскольку не требует введения дополнительных элементов в конструкцию турбины, но с существенно меньшим диапазоном регулирования, заключается в том, что в трубопроводах, через которые осуществляется гидравлическое соединение входных коллекторов турбин с источниками рабочего тела, установлены регулирующие устройства, обеспечивающие при дросселировании двигателя ниже определенного режима изменение (уменьшение) сопротивления трубопроводов, а при обратном форсировании двигателя выше того же предела, восстановление прежнего уровня сопротивления. Уменьшение сопротивления трубопроводов приводит к повышению давления рабочего тела на входе в турбины, увеличению частоты вращения и повышению напора бустерных насосов. Изменение сопротивления трубопроводов может быть как непрерывным, так и ступенчатым, а регулирующие устройства будут представлять собой, соответственно, либо регуляторы давления, либо многопозиционные клапаны.In principle, another solution to the problem is possible, which is simpler technologically, since it does not require the introduction of additional elements into the turbine design, but with a significantly smaller regulation range, consists in the pipelines through which the turbine inlet manifolds are hydraulically connected to the working sources bodies, control devices are installed that, when the engine is throttled below a certain mode, change (decrease) in the resistance of the pipelines, and when the reverse Ohm, forcing the engine above the same limit, restoring the previous level of resistance. A decrease in the resistance of pipelines leads to an increase in the pressure of the working fluid at the entrance to the turbines, an increase in the rotation frequency, and an increase in the pressure of the booster pumps. The change in the resistance of pipelines can be either continuous or stepwise, and the regulating devices will be, respectively, either pressure regulators or multi-position valves.

Режим, ниже которого регулирующие устройства включаются в работу, а также необходимая величина форсирования бустерных насосов определяется расчетным путем на этапе проектирования и подтверждается в ходе экспериментальной отработки двигателя.The mode below which the regulating devices are included in the operation, as well as the necessary boost forcing of the booster pumps is determined by calculation at the design stage and is confirmed during the experimental development of the engine.

Время выдачи команды на включение регулирующих устройств определяется либо по моменту достижения заранее рассчитанного режима, либо по показаниям датчиков, измеряющих параметры компонента на входе в насос.The time for issuing a command to turn on the control devices is determined either by the moment of reaching the previously calculated mode, or by the readings of sensors measuring the parameters of the component at the pump inlet.

Работа устройства.The operation of the device.

В варианте, изображенном на фиг.1, при дросселировании двигателя ниже режима, на котором напор, создаваемый бустерными насосами, становится недостаточным для обеспечения бескавитационной работы насосов 3 и 4 или величина падения напора насосов 3 и 4 в результате кавитации становится неприемлемой для работы турбонасосного агрегата в составе двигателя, регулирующие устройства 22 и 23 срабатывают, подключая трубопроводы 20 и 21 к источникам рабочего тела, обеспечивая тем самым подачу рабочего тела во входные коллекторы 18 и 19 дополнительных сопловых аппаратов 16 и 17, что приводит к увеличению мощности турбин, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 22 и 23 отключают трубопроводы 20 и 21 и, соответственно, дополнительные сопловые аппараты 16 и 17 от источников рабочего тела.In the embodiment shown in Fig. 1, when the engine is throttled below a mode in which the pressure generated by booster pumps becomes insufficient to ensure pump-free operation of pumps 3 and 4 or the pressure drop of pumps 3 and 4 as a result of cavitation becomes unacceptable for the operation of a turbopump as part of the engine, the regulating devices 22 and 23 are activated, connecting the pipelines 20 and 21 to the sources of the working fluid, thereby supplying the working fluid to the input manifolds 18 and 19 of additional nozzles output apparatuses 16 and 17, which leads to an increase in turbine power, boosting booster pumps, an increase in their pressure and an increase in pressure at the inlet to the main pumps. When the engine is forced back above the same limit, the control devices 22 and 23 disconnect the pipelines 20 and 21 and, accordingly, the additional nozzle devices 16 and 17 from the sources of the working fluid.

Изменение сопротивления трубопроводов 13 и 14 может быть как непрерывным, так и ступенчатым, а регулирующие устройства 22 и 23 будут представлять собой, соответственно, либо клапаны-регуляторы давления, либо многопозиционные клапаны.The change in resistance of the pipelines 13 and 14 can be either continuous or stepwise, and the control devices 22 and 23 will, respectively, be either pressure control valves or multi-position valves.

В варианте, изображенном на фиг.1, при дросселировании двигателя ниже режима, на котором напор, создаваемый бустерными насосами, становится недостаточным для обеспечения бескавитационной работы насосов 3 и 4 или величина падения напора насосов 3 и 4 в результате кавитации становится неприемлемой для работы турбонасосного агрегата в составе двигателя, регулирующие устройства 21 и 22 срабатывают и изменяют (уменьшают) сопротивления трубопроводов 13 и 14, тем самым снижая потери в трубопроводах, что в свою очередь приводит к некоторому повышению давления во входных коллекторах 10 и 11 т.е. на входе в сопловые аппараты, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 22 и 23 восстанавливают прежний уровень сопротивления трубопроводов 13 и 14. Изменение сопротивления трубопроводов 13 и 14 может быть как непрерывным, так и ступенчатым, а регулирующие устройства 22 и 23 будут представлять собой, соответственно, либо регуляторы давления, либо многопозиционные клапаны.In the embodiment shown in Fig. 1, when the engine is throttled below a mode in which the pressure generated by booster pumps becomes insufficient to ensure pump-free operation of pumps 3 and 4 or the pressure drop of pumps 3 and 4 as a result of cavitation becomes unacceptable for the operation of a turbopump As part of the engine, the control devices 21 and 22 operate and change (decrease) the resistance of the pipelines 13 and 14, thereby reducing losses in the pipelines, which in turn leads to a slight increase pressure in the input manifolds 10 and 11 i.e. at the entrance to the nozzle apparatus, boosting the booster pumps, increasing their pressure and increasing the pressure at the entrance to the main pumps. When the engine is forced back above the same limit, the control devices 22 and 23 restore the previous resistance level of the pipelines 13 and 14. The resistance change of the pipelines 13 and 14 can be either continuous or stepwise, and the control devices 22 and 23 will be, respectively, either pressure regulators or multi-position valves.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Изобретение может использоваться в системах подачи компонентов жидкостных ракетных двигателей, предназначенных для работы в широком диапазоне регулирования, прежде всего с глубоким дросселированием, и имеющих в своем составе бустерные насосы, привод которых обеспечивается турбинами, работающими на рабочих телах, отбираемых из магистралей двигателя, а также при использовании компонентов, не допускающих работу насосов на режимах с кавитацией, например при работе на жидкостях с большим количеством растворенных газов.The invention can be used in the supply systems of components of liquid-propellant rocket engines designed to operate in a wide range of regulation, primarily with deep throttling, and incorporating booster pumps, the drive of which is provided by turbines operating on working fluids taken from the engine lines, as well as when using components that do not allow the operation of pumps in cavitation modes, for example, when working on liquids with a large amount of dissolved gases.

Claims

1. A method of ensuring the continuous operation of the pumps of a turbopump unit of a throttle liquid propellant rocket engine, based on the installation of booster pumps in front of the pumps, each of which is driven by a gas or hydraulic turbine, while the entrance to each turbine is hydraulically connected via a pipeline or with the output of one of the pumps in case of a hydraulic turbine, or with a gas path located behind the turbine of the turbopump unit, in the case of a gas turbine, characterized in that when the pressure is reduced in the stroke in the pumps is below the level necessary for the continuous operation of the pumps, which is possible with deep throttling of the engine, they increase the pressure of the booster pumps by supplying the working fluid to additional nozzle devices with their inlet manifolds pre-installed in these turbines through pipelines with control devices.

2. The method according to claim 1, characterized in that as a control device can be applied to a multi-position valve.

3. The method according to claim 1, characterized in that the pressure regulator is used as control devices.