Способ запуска криогенного центробежного насоса с разгрузочной полостью, сообщающейся со входом в насос, и криогенный центробежный насос (варианты)

 

Изобретение относится к насосостроению, а именно к центробежным насосам системы подачи криогенных компонентов топлива жидкостных ракетных двигательных установок. Способ запуска насоса с разгрузочной полостью, сообщающейся через разгрузочные каналы с входом в насос, заключается в заливке, раскрутке и прокачке компонента через проточную часть, вспомогательные тракты и разгрузочную полость с последующим возвратом компонента из разгрузочной полости на вход в насос. При заливке и раскрутке насоса весь компонент направляют через проточную часть насоса, его разгрузочную полость и вспомогательные тракты, а возврат всего компонента из разгрузочной полости на вход в насос осуществляют по достижении насосом номинальной частоты вращения. В насосе или в каждом разгрузочном канале установлен клапан одностороннего действия или в насос введен один общий клапан одностороннего действия для всех разгрузочных каналов. Изобретение направлено на повышение надежности и экономичности запуска. 3 с.п.ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к насосостроению, а именно к центробежным насосам системы подачи криогенных компонентов топлива жидкостных ракетных двигательных установок (ЖРДУ) и может быть использовано в отраслях народного хозяйства, где применяются подобные насосы.

У высокоэффективных ЖРДУ с многократным запуском на орбите, работающих на криогенных компонентах топлива, с целью экономии топлива запуск системы подачи производится практически без предварительного захолаживания магистралей, рабочих органов насоса и его вспомогательных трактов. Поэтому в начальный период запуска будет происходить интенсивное кипение поступающего во всасывающую магистраль проточную часть насоса и в его вспомогательные тракты криогенного компонента топлива за счет отбора тепла от стенок магистрали и от конструкции узлов и деталей, образующих проточную часть насоса и его вспомогательные тракты. При таком запуске насоса существенное влияние на его работоспособность оказывает наличие парогазовой фазы, попадающей в процессе запуска непосредственно на вход центробежного колеса. Поступление парогазовой фазы в проточную часть насоса может привести к снижению напора насоса, либо к полной потере его работоспособности.

Известен способ запуска криогенного центробежного насоса системы топливоподачи ЖРДУ, в котором для обеспечения бессрывной работы центробежного насоса в период запуска предварительно захолаживают подводящий трубопровод и насос (см. книгу: Козлов А.А., Новиков В.Н., Соловьев Е.В. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. М.: Машиностроение, 1988, стр. 66).

Известно также устройство криогенного центробежного насоса, реализующее запуск насоса с предварительным захолаживанием подводящего трубопровода и насоса, содержащее корпус насоса с установленным на валу рабочим колесом, разгрузочная полость которого сообщена с входом в насос разгрузочными каналами (см. книгу: Овсянников Б.В. Теория и расчет насосов жидкостных ракетных двигателей. М.: Оборонгиз, 1960, фиг. 199 на вклейке между стр. 238 и 239).

Недостатком этого способа запуска криогенного центробежного насоса и устройства криогенного центробежного насоса является то, что на захолаживание подводящего трубопровода и насоса требуется значительное время (не менее 10-15 секунд) и дополнительный расход криогенного компонента. Это существенно удлиняет время запуска насоса, снижает быстродействие ЖРДУ и ее экономичность, что делает неприемлемым использование этого способа запуска и насоса для ЖРДУ с многократным запуском на орбите.

В качестве прототипа способа запуска криогенного центробежного насоса и устройства насоса приняты способ запуска и реализующая его конструкция по патенту 2171917, МПК⁷ F 04 D 15/00 (см. Бюллетень 22 за 2001 год). Способ запуска криогенного центробежного насоса с разгрузочной полостью, сообщающейся с входом в насос через разгрузочные каналы в ведущем диске центробежного колеса и с областью, в которой давление ниже входного, через дренажный трубопровод с клапаном, по устройству прототипа осуществляется следующим образом.

Перед запуском насоса открывают клапан на дренажном трубопроводе, соединяющем разгрузочную полость насоса с областью, в которой давление ниже входного. Проводят заливку насоса, при этом часть компонента направляют через проточную часть насоса, а другую часть компонента направляют через разгрузочные каналы в центробежном колесе в разгрузочную полость. В разгрузочную полость также направляют часть расхода компонента по вспомогательным трактам насоса для охлаждения и "смазки" подшипника и через уплотнение на ведущем диске колеса. При этом весь компонент из разгрузочной полости направляют по дренажному трубопроводу с клапаном в область с давлением ниже входного. При раскрутке насоса и прокачке компонента через проточную часть насоса и вспомогательные тракты из разгрузочной полости в область с давлением ниже входного направляют ту часть компонента, при которой газосодержание на входе в насос выше его критического значения. Возврат всего компонента из разгрузочной полости на вход в насос осуществляют при достижении на выходе из насоса давления, равного номинальному, для чего закрывают клапан на дренажном трубопроводе.

При наличии разгрузочных каналов в центробежном колесе, соединяющих разгрузочную полость с входом в рабочее колесо, при раскрутке насоса "горячий" компонент попадает на вход в центробежное колесо, что при определенных условиях может привести к срыву насоса при запуске.

Несмотря на то, что указанные способ и устройство экономичны по сравнению с аналогом, хорошо обеспечивают оптимальные условия "смазки" и охлаждения подшипника, однако, для их осуществления необходимы дренажный трубопровод с клапаном и специальная дополнительная команда в системе автоматики для управления этим клапаном. Это усложняет систему запуска насоса и, следовательно, вносит дополнительный элемент потенциальных неполадок, т.е. ненадежности, что является одним из недостатков рассматриваемых способа и устройства.

Другим недостатком данного способа запуска и устройства является также увеличение массы конструкции из-за необходимости введения дренажного трубопровода с клапаном из разгрузочной полости насоса. Кроме того, осуществляется непроизводительный выброс компонента через этот трубопровод при запуске насоса, суммарная величина которого для ЖРДУ с многократным запуском на орбите становится существенной.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа запуска и конструкции криогенного центробежного насоса, которые бы повысили надежность и экономичность его запуска.

Техническим результатом решения данной задачи является повышение надежности запуска криогенного центробежного насоса при условии многократного запуска ЖРДУ в невесомости с одновременным обеспечением экономичности запуска.

Задача достигается тем, что в способе запуска криогенного центробежного насоса с разгрузочной полостью, сообщающейся через разгрузочные каналы с входом в насос, заключающемся в заливке, раскрутке и прокачке компонента через проточную часть, вспомогательные тракты и разгрузочную полость с последующим возвратом компонента из разгрузочной полости на вход в насос, новым является то, что при заливке и раскрутке насоса весь компонент направляют через проточную часть насоса, его разгрузочную полость и вспомогательные тракты, а возврат всего компонента из разгрузочной полости на вход в насос осуществляют по достижении насосом номинальной частоты вращения.

Способ реализуется с помощью криогенного центробежного насоса, содержащего корпус с установленным на валу рабочим колесом, разгрузочная полость которого через разгрузочные каналы сообщена с входом в насос, снабженного дополнительно в каждом разгрузочном канале клапаном одностороннего действия.

Способ реализуется также с помощью криогенного центробежного насоса, содержащего корпус с установленным на валу рабочим колесом, разгрузочная полость которого через разгрузочные каналы сообщена с входом в насос, в который дополнительно введен один общий клапан одностороннего действия для всех разгрузочных каналов.

В основу предлагаемого способа запуска криогенного насоса положены известные свойства центробежного насоса. Для центробежных насосов, работающих на компонентах со свободными газовыми включениями, наряду с давлением на входе в насос Рвх не менее важной является величина относительного объемного содержания свободного газа в компоненте на входе в рабочее колесо δ_вх = Q_г/Q_ж, где Q_г - объемное количество газа в жидкости, Q_ж - объемный расход жидкости. Начиная с некоторого критического значения δ_{вх кр}, величина которого зависит от конструктивных и режимных параметров насоса и практически не зависит от давления Рвх, происходит срыв режима работы насоса. При этом увеличение давления Рвх даже до очень больших значений (Рвх>3кгс/см²) не приводит к восстановлению нормальной работоспособности насоса (см. Т.И. Жукова. Влияние содержания газа в жидкости на всасывающую способность центробежного насоса. ИВУЗ, серия "Нефть и газ", 1966, 4). В этом случае определяющим параметром является не Рвх, а δ_вх. Значение Рвх влияет на характеристику насоса только при δ_вх<δ_{вх кр}. Для вновь проектируемого насоса величина δ_{вх кр}. в первом приближении известна либо как параметр насоса, с которого моделировался разрабатываемый насос, либо по статистическим данным. Кроме того, величина δ_{вх кр}. входит в число основных параметров насоса, которые подлежат обязательному уточнению при экспериментальной обработке и доводке разрабатываемого насоса.

В предлагаемом изобретении используется и то свойство центробежных насосов, что с ростом частоты их вращения (а именно это и имеет место при запуске насоса) пропорционально увеличивается и величина критического газосодержания, при которой сохраняется его работоспособность (см. книгу: Высокооборотные лопастные насосы / под ред. д.т.н. Овсянникова Б.В. и д.т.н. Чебаевского В.Ф. М.: Машиностроение, 1975, стр. 255-256, рис. 4.13, 4.15). Поэтому, чем в меньшем количестве парогаз в процессе запуска попадает на вход в рабочее колесо центробежный насос и чем выше будут его обороты в этот момент, тем надежнее запуск.

В устройстве центробежного насоса предлагаемый способ запуска позволяет реализовать введение клапанов в разгрузочные каналы центробежного колеса, сообщающих разгрузочную полость с входом в рабочее колесо насоса.

В устройстве центробежного насоса предлагаемый способ запуска позволяет реализовать введение клапана одностороннего действия в каждом разгрузочном канале.

В устройстве центробежного насоса предлагаемый способ запуска позволяет реализовать также введение одного общего клапана одностороннего действия для всех разгрузочных каналов.

Существенным отличием технического решения предлагаемых способа и устройства являются новые признаки, позволяющие достигнуть повышения надежности и экономичности запуска криогенного насоса без предварительного захолаживания его конструкции путем уменьшения практически до нуля количества "горячего" компонента, направляемого на вход в рабочее колесо из разгрузочной полости в процессе запуска, за счет прекращения отвода "горячего" компонента из разгрузочной полости на вход в рабочее колесо от начала запуска до момента достижения насосом номинальной частоты вращения в результате постановки в каждый разгрузочный канал рабочего колеса клапана одностороннего действия или одного общего клапана одностороннего действия для всех разгрузочных каналов, срабатывающих при достижении перепада давлений между разгрузочной полостью и входом в рабочее колесо величины, соответствующей значению этого перепада при номинальной частоте вращения ротора насоса. При этом потери компонента с выбросом его на сторону при запуске насоса отсутствуют, кроме того, в данном способе и устройстве нет дренажного трубопровода из разгрузочной полости насоса.

Суть изобретения поясняется чертежом криогенного насоса, где: 1 - корпус центробежного насоса; 2 - рабочее колесо насоса; 3 - разгрузочная полость; 4 - разгрузочные каналы; 5 - проточная часть насоса; 6 - вспомогательные тракты насоса; 7 - вход в рабочее колесо; 8 - клапан одностороннего действия; 9 - уплотнения;
10 - вал;
11 - подшипник.

В корпусе центробежного насоса 1 расположено рабочее колесо насоса 2, имеющего проточную часть 5. Разгрузочные каналы 4 сообщают разгрузочную полость 3 со входом 7 в рабочее колесо 2 через клапан (или клапаны) одностороннего действия 8, выполненного, например, в виде подпружиненного запорного элемента, расположенного перпендикулярно оси насоса (подпружиненного шарика).

Рабочее колесо 2 установлено на валу 10 с подшипником 11, охлаждение которого происходит криогенным компонентом через вспомогательные тракты насоса 6, уплотнения 9, разгрузочную полость 3, разгрузочные каналы 4 с клапаном одностороннего действия 8.

Запуск по предлагаемому способу, реализуемому устройством криогенного насоса, показанного на чертеже, осуществляется следующим образом.

1. При заливке (~1÷2 с) и раскрутке (~0,4÷0,6 с) насоса весь расход компонента направляют через проточную часть насоса 5 при закрытых клапанах (или клапане) 8 в разгрузочных каналах 4.

2. Прокачку всего компонента из разгрузочной полости 3 на вход в рабочее колесо насоса 2 через разгрузочные каналы 4 осуществляют после достижения насосом номинальной частоты вращения, для чего открывают клапаны (или клапан) 8 в разгрузочных каналах 4 (например, под воздействием соответствующих номинальной частоте вращения колеса величины давления в разгрузочной полости 3, либо величин центробежной силы в районе разгрузочных каналов 4 рабочего колеса 2).

Формула изобретения

1. Способ запуска криогенного центробежного насоса с разгрузочной полостью, сообщающейся через разгрузочные каналы с входом в насос, заключающийся в заливке, раскрутке и прокачке компонента через проточную часть, вспомогательные тракты и разгрузочную полость с последующим возвратом компонента из разгрузочной полости на вход в насос, отличающийся тем, что при заливке и раскрутке насоса весь компонент направляют через проточную часть насоса, его разгрузочную полость и вспомогательные тракты, а возврат всего компонента из разгрузочной полости на вход в насос осуществляют по достижении насосом номинальной частоты вращения.

2. Криогенный центробежный насос, содержащий корпус с установленным на валу рабочим колесом, разгрузочная полость которого через разгрузочные каналы сообщена с входом в насос, отличающийся тем, что в каждом разгрузочном канале установлен клапан одностороннего действия.

3. Криогенный центробежный насос, содержащий корпус с установленным на валу рабочим колесом, разгрузочная полость которого через разгрузочные каналы сообщена с входом в насос, отличающийся тем, что в него введен один общий клапан одностороннего действия для всех разгрузочных каналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1