Турбонасосный агрегат

Изобретение касается усовершенствования турбонасосных агрегатов (ТНА) и может быть использовано в космической, авиационной и других отраслях, где применяются центробежные насосы, перекачивающие криогенные жидкости, например сжиженный природный газ. ТНА содержит корпус и ротор со шнеком, центробежным колесом (ЦК) и гидротурбиной. Ротор ТНА установлен на подшипники скольжения с питанием перекачиваемой жидкостью и имеет упорные устройства - основную гидравлическую пяту и пусковую пяту для восприятия осевых сил. Шнек имеет винтовую решетку лопастей на периферии, образующих совместно осевихревую ступень с большим проходным сечением на входе, чем на выходе. Первый подшипник размещен между осевихревой ступенью и ЦК. В диске ЦК выполнены отверстия, посредством которых сливная камера гидравлической пяты сообщена с входом ЦК. Для повышения устойчивости работы на режимах малых подач перед ЦК в корпусе выполнена кольцевая камера, соединенная через теплообменник со входом насоса. Охлажденная жидкость поступает на вход насоса через коллектор и сопла, ориентированные по потоку, благодаря чему повышается устойчивость, улучшаются кавитационные качества. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к гидромашиностроению, касается усовершенствования турбонасосных агрегатов и может быть использовано в космической технике, авиационной промышленности и других отраслях, где применяются центробежные насосы, преимущественно перекачивающие криогенные жидкости, например сжиженный природный газ (СПГ). К таким насосам предъявляются высокие требования по надежности, кавитационным качествам, отсутствию пульсаций давления большой амплитуды при малой массе и габаритах.

Известны кислородно-водородные жидкостные ракетные двигатели с бустерным насосом окислителя с гидротурбиной (см., напр., патент РФ 2099569, F02K 9/48), недостатком которых является низкая устойчивость работы на режимах малых подач, когда происходит выделение газообразной паровой фазы, обусловленной усилением теплоотдачи от «горячих» утечек.

Известны турбонасосные агрегаты с подшипниками качения, работающие на перекачиваемой жидкости, имеющие на входе шнек для улучшения кавитационных качеств (см., напр., Турбонасосный ПТ-15-60у, «Высокооборотные лопаточные насосы». /Под ред. Б.В.Овсянникова и В.Ф.Чебаевского. М.: «Машиностроение», 1975, рис.3, стр.10). Эта конструкция имеет подшипники качения, смазываемые перекачиваемой жидкостью, что снижает ресурс турбонасоса и увеличивает его массу и габариты. Кроме этого на пусковых режимах суммарная осевая сила может значительно превосходить осевую силу на расчетных режимах работы, что приводит к выходу подшипников из строя.

На режимах турбонасоса с подачей, меньшей расчетной, на входе в шнек возникают обратные токи жидкости, вызывающие интенсивные пульсации давления в проточной части, а это дополнительно может привести к снижению надежности насоса.

В случае работы агрегата на криогенной жидкости, например метане, может возникнуть срыв работы из-за разогрева жидкости и выделения газообразной фазы из СПГ, что приводит к потере устойчивости и автоколебаниям.

Для улучшения кавитационных качеств и уменьшения пульсаций давления в центробежных насосах применяется предвключенная осевихревая ступень, имеющая шнек с цилиндрической втулкой и неподвижной винтовой решеткой на его периферии (см., напр., патент Российской Федерации 2014509).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является турбонасосный агрегат, содержащий корпус и ротор со шнеком, центробежным колесом и гидротурбиной, установленный на подшипники скольжения с питанием перекачиваемой жидкостью, упорные устройства - гидравлическую пяту основную и пусковую пяту для восприятия осевых сил, подшипник, питаемый от встроенного лабиринтного насоса, и второй подшипник, питаемый от перепада жидкости между полостью гидротурбины и центробежным колесом, а сливная камера гидравлической пяты соединена с входом центробежного колеса (см., напр., патент US 5529464 А).

Недостатками приведенного устройства является низкая надежность при работе на малых подачах из-за интенсивных обратных токов жидкости и местного нагрева жидкости с выделением паровой фазы.

Задачей изобретения является повышение надежности, устойчивости в широком диапазоне режимов работы по подаче, включая пусковые режимы, улучшение кавитационных качеств и уменьшение габаритов агрегата.

Технический результат заключается в исключении эффекта «запаривания», вызываемого обратными токами жидкости на входе в центробежное колесо, для чего выполнена специальная кольцевая камера и организован отвод перегретой жидкости через охлаждающий теплообменник во входной патрубок и через сопла, направленные по ходу потока.

Технический результат достигается тем, что в турбонасосном агрегате, содержащем корпус и ротор со шнеком, центробежным колесом и гидротурбиной, установленный на подшипники скольжения с питанием перекачиваемой жидкостью, упорные устройства - гидравлическую пяту основную и пусковую пяту, для восприятия осевых сил, первый подшипник, питаемый от встроенного лабиринтного насоса, и второй подшипник, питаемый от перепада давления жидкости между полостью гидротурбины и центробежным колесом, а сливная камера гидравлической пяты сообщена с входом центробежного колеса, согласно изобретению шнек имеет винтовую решетку лопастей на периферии, образующих совместно осевихревую ступень с большим проходным сечением на входе, чем на выходе, первый подшипник размещен между осевихревой ступенью и центробежным колесом, а в диске последнего выполнены отверстия, посредством которых сливная камера гидравлической пяты сообщена с входом центробежного колеса.

Перед центробежным колесом в корпусе может быть выполнена кольцевая камера, соединенная через теплообменник со входом в насос, причем охлажденная жидкость поступает на вход насоса через коллектор и сопла, ориентированные по потоку.

На чертеже изображен продольный разрез турбонасосного агрегата. Турбонасосный агрегат содержит корпус 1 и ротор 2 со шнеком 3, имеющим винтовую решетку лопастей 4 на периферии, образующих осевихревую ступень с большим проходным сечением на входе, чем на выходе; центробежное колесо 5 и гидротурбину 6, установленные на гидродинамические подшипники скольжения 7 с подающим на него жидкость лабиринтным насосом 8 и 9, жидкость на который поступает за счет перепада давления между центробежным колесом и гидротурбиной. Осевое усилие воспринимается гидропятой 10, закрепленной на корпусе и образующей с ним кольцевую радиальную щель 11 и торцевую щель 12 переменного сопротивления, размещенную между ними камеру гидравлической пяты 13, камеру для отвода утечек 14, поступающих на вход центробежного колеса через отверстия 15 в его диске.

Для восприятия осевых сил при пусках на диске гидротурбины размещена пусковая гидропята 16. Для герметизации агрегата применено торцевое уплотнение 17. Для отвода «горячих» утечек на внутренней поверхности корпуса перед центробежным колесом выполнена кольцевая камера 18, соединенная трубопроводами 19 через теплообменник 20 и коллектор 21, из которого охлажденная жидкость поступает в сопла 22, ориентированные по потоку.

Турбонасосный агрегат работает следующим образом: жидкость поступает во входную часть корпуса 1 на шнек 3 с винтовой решеткой лопастей 4, образующей осевихревую ступень, которая уменьшает пульсации давления и улучшает кавитационные качества. Далее, жидкость проходит через радиальные ребра жесткости, закрепленные на корпусе 1, проходит в центробежное колесо 5, приобретает энергию и через патрубок спирального отвода корпуса 1 поступает к потребителю. Ротор агрегата опирается на подшипники 7 и 9. Подшипник 7 смазывается рабочей жидкостью, поступающей из лабиринтного насоса 8. Рабочая жидкость на подшипник 9 подается из полости гидротурбины 6. Для разгрузки осевых сил в конструкции турбонасоса применено разгрузочное устройство гидропята 10 с отбором жидкости из центробежного колеса 5 через радиальную дросселирующую кольцевую щель 11 постоянного сопротивления и перетоком в камеру для отвода утечек 14. При работе насоса, в случае смещения ротора 2 вправо, уменьшается торцевая дросселирующую щель 12 переменного сопротивления, что приводит к повышению давления в камере гидропяты 13 и восстановлению зазора в торцевой дросселирующей щели 12. Осевое смещение ротора 2 влево при работе ограничивается пусковой пятой 16 и подпятником на диске турбины. Из камеры гидропяты 13 жидкость через камеру сливную 14 и сливные разгрузочные отверстия в ступице центробежного колеса 15 поступает в область всасывания. Такая компоновка позволяет конструктивно получить минимальные габариты. Торцевое уплотнение 17 служит для герметизации полости гидротурбины. На режимах малых подач на входе в центробежное колесо 5 возникают обратные токи жидкости и высока вероятность выделения паров перекачиваемой жидкости и срыва работы агрегата на режимах малых подач. Для исключения эффекта «запаривания» на входе в центробежное колесо 5 размещена кольцевая камера 18, соединенная отверстиями и трубопроводом 19 с теплообменником 20 и подведенной к нему охлаждающей средой. Далее, по трубопроводу 19 охлажденная жидкость поступает в коллектор 21 и на сопла 22, ориентированные по потоку, что дополнительно улучшает кавитационные качества агрегата за счет повышения энергии потока.

Применение изобретения позволит уменьшить габариты, повысить надежность работы турбонасоса, улучшить кавитационные качества, снизить пульсации давления и повысить устойчивость на всех режимах работы.

Наиболее целесообразно использовать изобретение в авиационной и космической технике, где высоки требования к кавитационным качествам, надежности и одновременно требуются малые габариты, вес, при низких уровнях пульсации давления, вибрации и шума. Преимущественно рекомендуется использовать изобретение в системах, перекачивающих сжиженный газ и криогенные жидкости.

1. Турбонасосный агрегат, содержащий корпус и ротор со шнеком, центробежным колесом и гидротурбиной, установленный на подшипники скольжения с питанием перекачиваемой жидкостью, упорные устройства - гидравлическую пяту основную и пусковую пяту, для восприятия осевых сил, первый подшипник, питаемый от встроенного лабиринтного насоса, и второй подшипник, питаемый от перепада давления жидкости между полостью гидротурбины и центробежным колесом, а сливная камера гидравлической пяты сообщена с входом центробежного колеса, отличающийся тем, что шнек имеет винтовую решетку лопастей на периферии, образующих совместно осевихревую ступень с большим проходным сечением на входе, чем на выходе, первый подшипник размещен между осевихревой ступенью и центробежным колесом, а в диске последнего выполнены отверстия, посредством которых сливная камера гидравлической пяты сообщена с входом центробежного колеса.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что перед центробежным колесом в корпусе выполнена кольцевая камера, соединенная через теплообменник со входом в насос, причем охлажденная жидкость поступает на вход насоса через коллектор и сопла, ориентированные по потоку.