Турбонасосный агрегат

 

Использование: в насосостроении жидкостных ракетных двигателях. Сущность изобретения: турбонасосный агрегат, содержит корпус насоса, корпус турбины, выполненный в виде многослойной оболочки с ребрами, промежуточный корпус турбины, корпуса подшипниковых опор насоса и турбины, подпружиненный ротор, узел разгрузки осевых сил и закрепленные на корпусах ограничительные упоры, взаимодействующие с внешними торцами подшипниковых опор. Подпружиненный ротор установлен на подшипниках качания через упрогодемпферные элементы. Корпус подшипниковой опоры турбины жестко установлен в промежуточный корпус, соединенный в радиальном направлении с внутренней оболочкой корпуса турбины подвижно. Упор в корпусе турбиной подшипниковой опоры выполнен подвижным в осевом направлении в виде упругого элемента и втулки с ограничителем осевого перемещения со стороны подшипника. Упругий элемент может быть выполнен в виде сдвоенных тарельчатых пружин, взаимодействующих между собой по минимальному диаметру. Промежуточный корпус может быть зацентрирован в корпусе по наружной сферической поверхности. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к насосостроению жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и может быть использовано в авиационной, химической, криогенной технике и других отраслях промышленности, где применяются преимущественно криогенные многоступенчатые центробежные насосы и теплонапряженные турбины, работающие при высоких частотах вращения.

Работоспособность ТНА во многом определяется работоспособностью теплонапряженных элементов конструкции, а также работоспособностью опор. В свою очередь, надежность конструкции зависит от уровня теплонапряженности и степени защищенности ее. Работоспособность и долговечность опор зависит от степени их нагруженности осевыми и радиальными силами. В современных турбонасосных агрегатах разгрузка роторов от осевых сил осуществляется автоматами осевой разгрузки (АОР). Надежность функционирования и разгружающая способность автомата зависят от способности ротора перемещаться в осевом направлении.

В крупногабаритных криогенных ТНА, имеющих многоступенчатые турбину и насос, сложной проблемой оказывается прогнозирование и расчет динамики изменения силовых и температурных деформаций корпусов и ротора, учет их взаимного влияния на работоспособность агрегата на нестационарных режимах запуска (останова), а также обеспечения надежной работоспособности конструкции при воздействии деформаций.

Известен компенсатор для разгрузки от осевого усилия, действующего на вал центробежного насоса, содержащий два упорных гидродинамических подшипника и два амортизатора, которые установлены с обеих сторон ротора и взаимодействуют с вспомогательным упорным подшипником. На одной из поверхностей ротора насоса предусмотрена гидравлическая компенсационная камера [1] Недостатками известного устройства являются.

Невозможность осевой разгрузки ротора на переходных режимах, когда давления в гидравлических полостях не достигли расчетных значений.

Возможность касания амортизаторов о статор. Касания вращающихся на роторе амортизаторов о статор крайне нежелательно для высокооборотных лопаточных машин из-за возможности их поломки и износа.

Осевая фиксация ротора, зависимая от температурных и силовых деформаций конструкции.

Известен турбонасосный агрегат с многоступенчатым насосом и турбиной, содержащий корпус, ротор, установленный на подшипниках качания, которые помещены в корпуса через упругодемпферные элементы, закрепленные на корпусах ограничительные упоры, взаимодействующие с внешними торцами подшипниковых опор, и автомат осевой разгрузки ротора, расположенный между упорами. Ротор выполнен подпружиненным в направлении пяты автомата (прототип) [2] Недостатками прототипа являются.

Ограниченные возможности форсирования режимов испытаний и обеспечение требуемой многоразовости включений. Ограничения вызваны тем, что в известном ТНА не исключается появление значительных напряжений от температурных и силовых деформаций в элементах корпуса турбины и в узле опоры вследствие недостаточной защищенности конструкции.

Обеспечение работоспособности взаимодействующих между собой узлов ТНА, которые находятся под большим температурным перепадом и испытывают воздействие от силовых деформаций, является сложной проблемой. Особенно трудно учитывать взаимное временное влияние узлов друг на друга на неустановившихся и переходных режимах. Выполнение многослойной оболочки корпуса турбины жестко соединенной ребрами, часть которой омывается горячим газом, а часть - низкотемпературным газом, приводит к тому, что в ребрах возникают высокое напряжения, которые провоцируют появление и рост трещин. При этом наступает момент, когда трещины в ребрах становятся сквозными, а конструкция преждевременно неработоспособной.

Развитие силовых и температурных деформаций корпусов агрегата на переходных режимах может быть таким, что одни из них растут с опережением, в то время как другие отстают. Тем самым создаются условия для перегрузки опор нерасчетными осевыми нагрузками, что в конечном счете приводит к ограничению режимов испытаний и многоразовости включений.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а также расширение диапазона регулирования агрегата и двигателя в целом.

Поставленная цель достигается тем, что корпус подшипникововой опоры установлен в промежуточный корпус, соединенный с корпусом турбины по внутренней оболочке в радиальном направлении подвижно, например на штифтах, а упор выполнен в корпусе подшипниковой опоры подвижным в осевом направлении в виде подпружиненной втулки, имеющей ограничитель осевого перемещения со стороны подшипника. При этом дополнительно улучшаются условия работы опоры за счет независимой от температурной деформации корпуса турбины самоцентровки промежуточного корпуса.

Для стабилизации величины усилия подвижного упора, упругий элемент выполнен в виде двух сдвоенных тарельчатых пружин, взаимодействующих между собой по минимальному диаметру.

Кроме этого, с целью повышения технологичности промежуточный корпус соединен с корпусом турбины через кольцо, а подвижное соединение в радиальном направлении, например на штифтах, выполнено между промежуточным корпусом и кольцом.

Для равномерной передачи подвижным упором демпфируемого осевого усилия подшипниковой опоре центрирование втулки в корпусе выполнено по сферической поверхности, расположенной, например, на втулке.

Указанная совокупность признаков ТНА проявляет новые свойства, заключающиеся в парировании радиальных и осевых нагрузок на элементы ТНА на неустановившихся режимах, а также при форсировании количества включений, благодаря чему повышаются работоспособность и диапазон регулирования двигателя.

Таким образом, техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена схема криогенного ТНА с многоступенчатым насосом и турбиной; на фиг. 2 -подшипниковая опора корпуса турбины.

ТНА состоит из корпуса турбины 1, корпуса насоса 2, соединенных между собой крепежными элементами, например болтами.

Ротор 3 через подшипниковые опоры 4 и 5, установленные на нем, опирается на упругодемпферные элементы 6, установленные в корпусах 7 и 8. Корпус 7 турбинной опоры установлен в промежуточный корпус 9, который соединен в радиальном направлении с кольцом 10 штифтами 11. Кольцо жестко установлено в корпус турбины 1. В корпусе 7 установлены втулка 12 и сдвоенная тарельчатая пружина 13. Втулка 12 поджата пружиной 13 до ограничителя осевого перемещения 14. Ограничитель выполнен в корпусе 7. В совокупности корпус 7, втулка 12 пружина 13 образуют подвижной упор 15.

В противоположном направлении ротор 3 фиксируется от осевых перемещений упором 16. Между ротором 3 и пятой 17 автомата АОР выполнен зазор А. Регулировка положения опоры 4 осуществляется подрезкой торца Б втулки 12. Регулировка усилия пружины 13 осуществляется подрезкой торца В втулки 12.

При работе криогенного ТНА, предназначенного для многорежимного двигателя многократного включения, ротор 3, отслеживающий за пятой 17 автомата осевой разгрузки, может переместиться в направлении корпуса 1. Это перемещение обусловлено температурными и силовыми деформациями корпусов и температурной деформацией ротора 3. При этом на нестационарных режимах запуска и останова двигателя рост величин силовых и температурных деформаций происходит неодновременно, а значения их находятся на различных уровнях.

Для снижения напряжений в ребрах многослойной оболочки корпуса турбины 1 она рассечена так, что горячие наружные и холодные внутренние части корпуса соединены в радиальном направлении подвижно, ограничивая при этом осевые перемещения корпуса 7 турбинной опоры. Это достигается тем, что корпус 7 опоры установлен в промежуточный корпус 9, который соединен подвижно с кольцом 10 на штифтах 11. Это позволило в отличие от прототипа снизить влияние температурных и силовых радиальных деформаций корпуса 1 на деформативность корпуса 7, что позволяет опоре 4 получить дополнительную свободу (помимо упругодемпферной опоры) для самоустановки и центрирования ротора. Следует отметить, что в ТНА, приведенном в качестве прототипа, подшипниковая турбинная опора 4 кратковременно испытывала воздействие осевой нагрузкой. Это происходило на неустановившихся режимах испытаний, т.е. до теплового прогрева конструкции. В предложенном ТНА ставится цель заменить кратковременное нагружение опоры 4 осевой нагрузкой нерасчетной величины на кратковременное воздействие осевой нагрузкой регламентированной величины, неопасной для данной опоры 4. Для этого упор 15 выполнен подвижным и подпружиненным.

Выполнение упора 15 в виде подпружиненной втулки 12, имеющей ограничитель осевого перемещения 14, позволяет ротору 3 при необходимости сместиться вместе с опорами в сторону подпружиненного упора 15. Если такой необходимости не появляется, то усилие пружины 13 воспринимается корпусом 7, на который оно замыкается через втулку 12 и не воспринимается опорой 4.

Усилие пружины 13, взаимодействующей с втулкой 12, выбирается в зависимости от возможного воздействия осевого усилия на ротор от перепада давления компонента на нем при заполнении и сбросе давлений в полостях с одной стороны и допустимости кратковременного воздействия на опору с другой стороны. Отношение усилия полностью сжатой пружины 13 к усилию на роторе 3 находится в пределах приблизительно 1-1,25. Усилие полностью сжатой пружины выбирается при ходе приблизительно 5 мм, т. е. с запасом по сравнению с возможным ходом 2-2,5 мм и соответствующей этому ходу пружине осевому усилию на подшипниковую опору 4 приблизительно 500 кг.

Усилие полностью сжатой пружины находится в пределах 1000 кг. Учитывая, что нагружение пружины 13 возможно при оборотах значительно меньших объектовых, такой уровень нагружения, как показали проведенные испытания, не оказывает влияния на работоспособность подшипниковой опоры в течение длительных наработок и многократных включений.

Установка и регулировка упора 15 осуществляется так, что между ротором 3 и пятой 17 обеспечивается гарантированный зазор А. Это достигается тем, что при сборке агрегата ротор 3 совместно с опорой 4 механически продавливается в направлении пяты 17 до взаимодействия с упором 15 под действием осевой нагрузки аналогичной по величине, возникающей при заполнении полостей агрегата. При этом вместо пружины 13 устанавливается жесткое технологическое кольцо. Зазор А назначается как сумма величин смещения ротора под нагрузкой и величины зазора, равного 0,3±0,05 мм. Затем вновь устанавливается пружина 13 вместо технологического кольца и определяются упругие характеристики пружины 13. Доработкой торцов Б и В втулки 12 добиваются требуемой жесткости пружины 13 и выставляют в окончательное положение торец Б втулки 12 подпружиненного упора 15 и подшипниковую опору 4. Положение упора 16 и его регулирование осуществляется так, чтобы ограничить ход ротора 3 в сторону упора 16 на нестационарных режимах работы до минимума. Это позволяет избежать воздействия на опору 5 значительных осевых ударных нагрузок.

Предложенная конструкция имеет дополнительные преимущества по сравнению с прототипом и позволяет выполнить всю опору автономным узлом (опора 4 совместно с корпусами 7 и 9). Это имеет принципиальное значение для опор с упругодемпферными элементами 6, так как определение упругих характеристик, их контроль и сохранение стабильности при установке в узел единой сборочной единицей всегда предпочтительней. При этом обеспечивается качественная сборка с высокой технологичностью.

Выполнение подвижной втулки 12 упора 15 выполнено так, чтобы она имела возможность самоустановки при взаимодействии с подшипниковой опорой 4, т. е. допускала полное прилегание втулки к подшипнику. Это достигается тем, что центрирование втулки 12 в корпусе 7 осуществляется по сферической поверхности, которая выполнена на втулке. Для стабилизации усилия, развиваемого подвижным упором 15, за счет снижения деформаций взаимодействующих с ним деталей 7 и 12 упругий элемент выполнен в виде сдвоенных тарельчатых пружин 13, взаимодействующих между собой по минимальному диаметру, а с деталями по максимальному.

Таким образом, разгрузка корпуса турбины и корпуса подшипниковой опоры от опасных температурных напряжений, осевая фиксация ротора упорами, один из которых расположен в турбинной опоре и выполнен подвижным, позволяют расширить диапазон регулирования ТНА и двигателя, повысить его надежность и долговечность за счет исключения опасных нагружений опоры на неустановившихся тепловых режимах работы и обеспечивать возможность форсирования двигателя, в том числе и по количеству циклов включений.

Конструкция ТНА с отличительными признаками разработана и испытана при многократных и длительных стендовых испытаниях двигателя.

Формула изобретения

1. Турбонасосный агрегат, содержащий корпус насоса, корпус турбины, выполненный в виде многослойной оболочки с ребрами, промежуточного корпуса турбины, корпуса подшипниковых опор насоса и турбины, подпружиненный ротор, установленный на подшипниках качения через упругодемпферные элементы, узел разгрузки осевых сил и закрепленные на корпусах ограничительные упоры, взаимодействующие с внешними торцами подшипниковых опор, отличающийся тем, что корпус подшипниковой опоры турбины жестко установлен в промежуточный корпус, соединенный в радиальном слое корпуса турбины подвижно, а упор в корпусе турбинной подшипниковой опоры выполнен подвижным в осевом направлении в виде упругого элемента и втулки с ограничителем осевого перемещения со стороны подшипника.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде сдвоенных тарельчатых пружин, взаимодействующих между собой по минимальному диаметру.

3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что промежуточный корпус соединен с корпусом турбины через кольцо, жестко соединенное с внутренним слоем корпуса турбины, а подвижное соединение в радиальном направлении выполнено между промежуточным корпусом и кольцом.

4. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что втулка зацентрирована в корпусе по своей наружной сферической поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2