Уплотнение вала турбонасосного агрегата (варианты)



Уплотнение вала турбонасосного агрегата (варианты)
Уплотнение вала турбонасосного агрегата (варианты)
Уплотнение вала турбонасосного агрегата (варианты)
Уплотнение вала турбонасосного агрегата (варианты)
Уплотнение вала турбонасосного агрегата (варианты)

 


Владельцы патента RU 2572468:

Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" (RU)

Предлагаемое изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к высокооборотным высоконапорным центробежным насосам, и может быть использовано в области ракетостроения, в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). В предлагаемом изобретении в уплотнении вала турбонасосного агрегата, содержащем импеллер, расположенный между насосом и турбиной, установленный на валу, согласно изобретению гладкая сторона импеллера соединена с лопаточной стороной импеллера с помощью перепускных отверстий, выполненных в его диске; отверстия, соединяющие гладкую и лопаточную стороны импеллера, смещены от оси симметрии межлопаточного канала по направлению вращения ротора; в корпусе насоса между гладкой стороной импеллера и насосом выполнены ребра; между лопаточной стороной импеллера и турбиной выполнено дополнительное уплотнение; в корпусе турбины между турбиной и лопаточной стороной импеллера выполнены перепускные отверстия с выходом к лопаточной стороне импеллера; в корпусе между гладкой стороной импеллера и насосом выполнены ребра. Достигается устранение вскипания жидкости в уплотнении, минимизация утечек из насоса в турбину при захолаживании. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к высокооборотным высоконапорным центробежным насосам, и может быть использовано в области ракетостроения, в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

На работоспособность и параметры турбонасосного агрегата существенное влияние оказывает работа разделительного уплотнения между насосом и турбиной. Неправильная работа разделительного уплотнения может привести либо к прорыву газа из полости турбины в полость насоса, либо к повышенной утечке жидкости из насоса в турбину и ухудшению характеристик как насоса, так и турбины. Прорыв газа высокого давления из полости турбины в полость насоса приводит к повреждению и потере работоспособного состояния подшипников из-за их недостаточного охлаждения, а попадание газа в проточную часть насоса приводит к его кавитационному срыву. Это служит причиной аварийного прекращения работы жидкостного ракетного двигателя. Утечка из насоса в турбину приводит к существенному снижению экономичности агрегата из-за уменьшения полезного расхода газа через сопловой аппарат, искажения потока и балластировки газа после соплового аппарата утечкой холодной жидкости. Кроме того, утечка криогенной жидкости в турбину может вызвать большие градиенты температуры в диске рабочего колеса турбины, высокие термические напряжения и явиться причиной появления трещин в диске с его последующим разрушением. Следует отметить, что в практике турбостроения часто в полости разделительного уплотнения устанавливается подшипник турбинной опоры, работоспособность которого зависит от работы разделительного уплотнения.

В общем случае разделительное уплотнение между насосом и турбиной должно удовлетворять следующим требованиям:

- не допускать утечек газа из турбины в насос;

- обеспечить минимальную, стабильную величину утечки из насоса в турбину;

- обеспечить работоспособность турбонасосного агрегата на всех режимах работы двигателя, в том числе и при появлении допустимого износа элементов конструкции агрегата.

В ряде случаев к разделительному уплотнению предъявляется дополнительное требование по минимизации утечки из насоса в турбину при невращающемся роторе. В первую очередь требование предъявляется к ТНА двигателей, работающих на криогенных компонентах топлива, так как утечки при запуске двигателя могут привести к возникновению аварийных ситуаций.

Таким образом, система разделения полостей насоса и турбины ТНА заслуживает особого внимания при разработке и эксплуатации ЖРД. Основной задачей такого уплотнения является исключение возможности попадания газа из турбины в насос при минимальном снижении экономичности ТНА.

В ТНА ЖРД, работающих на высококипящих компонентах топлива в разделительных уплотнениях, широко применяется импеллерное уплотнение. Это уплотнение позволяет практически полностью исключить утечку жидкости в полость турбины, что особенно важно для малоразмерных ТНА, где даже небольшая утечка при работе приводит к существенному снижению экономичности. В импеллерном уплотнении утечка в полость турбины определяется только испарением жидкости с границы раздела жидкости газа в импеллере. При этом такая утечка практически не оказывает влияния на характеристики турбины.

Известно уплотнение вала турбонасосного агрегата, содержащее импеллер, расположенный между насосом и турбиной, установленный на валу (Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей / Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др.; Под общ. ред. Г.Г. Гахуна. - М.: Машиностроение, 1989. - 424 с., рис. 10.19 (с. 220) - прототип).

Такое уплотнение вала турбонасосного агрегата применительно к жидкостному ракетному двигателю обладает следующими недостатками.

Использование импеллерного (гидродинамического радиального) уплотнения при разделении полостей турбины и насоса, перекачивающего криогенную жидкость, приводит к ее разогреву и вскипанию в уплотнении, что служит причиной попадания газа из полости турбины в полость насоса. Кроме того, при необходимости захолаживания утечки жидкости из насоса в турбину будут иметь значительную величину.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение вскипания жидкости в уплотнении, минимизация утечек из полости насоса в полость турбины при захолаживании.

В предлагаемом изобретении технический эффект достигается тем, что в уплотнении вала турбонасосного агрегата, содержащем импеллер с отверстиями, соединяющими гладкую и лопаточную стороны, расположенный между насосом и турбиной, установленный на валу, согласно изобретению:

- отверстия, соединяющие гладкую и лопаточную стороны импеллера, смещены от оси симметрии межлопаточного канала по направлению вращения ротора;

- в корпусе насоса между гладкой стороной импеллера и насосом выполнены ребра;

- между лопаточной стороной импеллера и турбиной выполнено дополнительное уплотнение;

- в корпусе турбины между турбиной и лопаточной стороной импеллера выполнены перепускные отверстия с выходом к лопаточной стороне импеллера;

- в корпусе насоса между гладкой стороной импеллера и насосом выполнены ребра.

Предлагаемое уплотнение вала турбонасосного агрегата представлено на фиг. 1, на фиг. 2, 3, 4, 5 - варианты уплотнения вала турбонасосного агрегата, где:

1 - импеллер;

2 - насос;

3 - турбина;

4 - вал;

5 - гладкая (тыльная) сторона импеллера;

6 - лопаточная сторона импеллера;

7 - отверстия;

8 - перепускной канал;

9 - лопатка;

10 - межлопаточный канал;

11 - граница раздела фаз;

12 - жидкость;

13 - газ;

14 - уплотнение;

15 - ребра;

16 - перепускные отверстия;

17 - каналы;

18 - крыльчатка;

19 - отводящий патрубок насоса;

20 - подводящая трубка.

Уплотнение вала турбонасосного агрегата (фиг. 1) содержит импеллер 1, расположенный между насосом 2 и турбиной 3, установленный на валу 4. В диске импеллера выполнены отверстия 7, соединяющие его гладкую и лопаточную стороны. Отверстия 7 смещены в сторону вращения вала относительно оси симметрии межлопаточного канала 10. Между лопаточной стороной 6 импеллера и турбиной 3 может быть выполнено дополнительное уплотнение 14 (фиг. 2). Между гладкой стороной 5 импеллера и насосом 2 могут быть выполнены радиальные ребра 15 (фиг. 3). Для снижения утечек жидкости через импеллер перепускные отверстия 16, соединенные каналами 17 с выходом крыльчатки 18, выполнены в корпусе турбины с лопаточной стороны 6 импеллера (фиг. 4). Как вариант, при высоком давлении в турбине 3 перепускные отверстия 16 соединяют с отводящим патрубком 19 насоса 2, например, с помощью подводящей трубки 20 (фиг. 5).

При работе турбонасосного агрегата турбина 3 приводит во вращение насос, при этом рабочие колеса насоса и турбины, импеллер 1 вращаются с одинаковой угловой скоростью, так как установлены на одном валу 4, опирающемся на подшипники. Жидкость из насоса через перепускные каналы 8 поступает к импеллеру 1, причем она может подводиться с выхода крыльчатки или с выхода корпуса отвода насоса. За счет вращения импеллера на его лопаточной стороне 6, обращенной к турбине 3, образуется зеркало - граница раздела фаз 11 жидкости 12 и газа 13. Поступление жидкости через отверстия 7, соединяющие гладкую (тыльную) 5 и лопаточную 6 стороны импеллера 1, обеспечивает ее циркуляцию и исключает вскипание жидкости в полости импеллера. Расстояние от оси вращения импеллера до оси отверстий 7 должно быть меньше расстояния от оси вращения импеллера до расположения границы раздела фаз 11 - зеркала.

Угловое расположение отверстий 7 для обеспечения равномерного подвода жидкости в межлопаточный канал 10 смещено в сторону вращения ротора. При этом обеспечивается надежное разделение насоса 2 и турбины 3 с минимальной утечкой в полость турбины, вызванной только испарением с границы раздела фаз в межлопаточных каналах 10 импеллера 1. В зависимости от перепада давления формирование зеркала может происходить ниже лопаток импеллера, что может привести к большим утечкам. Чтобы избежать этого на корпусе между насосом 2 и гладкой стороной 5 импеллера выполняют радиальные ребра 15, обеспечивая при этом выравнивание и дополнительное падение давления.

Для минимизации утечки жидкости из насоса в турбину в процессе захолаживания агрегата между лопаточной стороной импеллера 6 и турбиной 3 выполнено дополнительное уплотнение 14, которое может быть бесконтактным, контактным или открывающимся при достижении определенного давления. При выполнении перепускных отверстий 16 в корпусе с лопаточной стороны импеллера 6 рабочая жидкость под давлением поступает в перепускные отверстия 16 через каналы 17, выполненные в корпусе. Жидкость через каналы 17 поступает с выхода крыльчатки 18 насоса 2. При давлении в турбине 3, превышающем или близком к давлению на выходе крыльчатки 18, жидкость через каналы 17 к перепускным отверстиям 16 поступает с выхода насоса 2 из отводящего патрубка 19, например, с помощью подводящей трубки 20, обеспечивающей поступление жидкости из отводящего патрубка насоса 19 в каналы 17. При вращении вала 4 лопатки 9 и межлопаточные каналы 10 импеллера 1 последовательно сообщаются с этими перепускными отверстиями 16. При совмещении отверстия 16 и межлопаточного канала 10 происходит впрыск жидкости в полость межлопаточного канала 10 импеллера. Такие впрыски обеспечивают снижение температуры в межлопаточном канале 10 импеллера, что исключает вскипание рабочей жидкости в нем.

Аналогичное импеллерное уплотнение может быть применено для разделения насоса и окружающей среды.

Таким образом, в турбонасосном агрегате обеспечивается надежное разделение полостей насоса и турбины на всех режимах работы при высокой экономичности агрегата, в том числе при захолаживании насоса, что обеспечивает надежную работу ТНА в составе жидкостного ракетного двигателя.

1. Уплотнение вала турбонасосного агрегата, содержащее импеллер с отверстиями, соединяющими гладкую и лопаточную стороны, расположенный между насосом и турбиной, установленный на валу, отличающееся тем, что отверстия, соединяющие гладкую и лопаточную стороны импеллера, смещены от оси симметрии межлопаточного канала по направлению вращения ротора.

2. Уплотнение вала турбонасосного агрегата по п. 1, отличающееся тем, что между лопаточной стороной импеллера и турбиной выполнено дополнительное уплотнение.

3. Уплотнение вала турбонасосного агрегата по п. 1, отличающееся тем, что в корпусе между гладкой стороной импеллера и насосом выполнены ребра.

4. Уплотнение вала турбонасосного агрегата, содержащее импеллер, расположенный между насосом и турбиной, установленный на валу, отличающееся тем, что в корпусе между турбиной и лопаточной стороной импеллера выполнены перепускные отверстия с выходом к лопаточной стороне импеллера.

5. Уплотнение вала турбонасосного агрегата по п. 4, отличающееся тем, что между лопаточной стороной импеллера и турбиной выполнено дополнительное уплотнение.

6. Уплотнение вала турбонасосного агрегата по п. 4, отличающееся тем, что в корпусе между гладкой стороной импеллера и насосом выполнены ребра.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к уплотнительным устройствам камеры зубчатой передачи ручных приводных инструментов. Уплотнительное устройство для предотвращения утечки смазки из камеры зубчатой передачи, вмещающей понижающую зубчатую передачу, содержащей смазку для смазывания понижающей зубчатой передачи и понижающей вращение электрического двигателя, содержит разделительную стенку, отделяющую упомянутую камеру зубчатой передачи от электрического двигателя и поддерживающую вращательный вал через подшипник.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может найти применение в качестве межступенчатых и концевых узлов уплотнений в насосах, компрессорах, турбонасосных агрегатах и т.п.

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации валов роторных машин. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в высокоскоростных насосных агрегатах. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к конструкциям уплотнений для гидравлических, пневматических двигателей, насосов, расходомеров двигателей внутреннего сгорания и т.п.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к бесконтактным уплотнительным устройствам импеллерного типа вращающихся валов гидромашин. .

Импеллер // 2037711
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к бесконтактным уплотнительным устройствам импеллерного типа вращающихся валов гидромашин. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к бесконтактным уплотнительным устройствам импеллерного типа вращающихся валов гидромашин. .

Способ уплотнения воздушных каналов заключается в использовании лабиринтного уплотнения. Перед лабиринтным уплотнением расположена полость низкого давления, из которой воздух центробежным компрессором перекачивается в полость высокого давления. Рабочие лопатки компрессора размещены на валу, а лопаточный диффузор компрессора - внутри неподвижного корпуса, образующего совместно с валом полость низкого давления. В периферийной части корпуса выполнены сливные отверстия, соединяющие полость низкого давления с полостью высокого давления. Способ позволяет уменьшить перетекания воздуха из областей с более высоким давлением в области с меньшим давлением, повысить экономичность газотурбинных двигателей. 3 ил.
Наверх