CZ36602U1 - Palivové čerpadlo pro paliva používaná v raketových nosičích nové generace - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

Palivové čerpadlo pro paliva používaná v raketových nosičích nové generace

Oblast techniky

Technické řešení se týká vysokootáčkového radiálního hydrodynamického (odstředivého) čerpadla s integrovaným bezkartáčovým stejnosměrným elektromotorem s permanentními magnety.

Dosavadní stav techniky

U reaktivních tryskových motorů se palivo nebo okysličovadlo dodávalo do spalovacího prostoru z nádrží udržovaných pod tlakem. Od tohoto systému se upouští a k zajištění dostatečného průtoku paliva se využívají čerpadla, což se jeví jako efektivnější, zejména pro extrémně vysoké průtoky a tlaky. Samotné tlakování nádrží se uplatňuje pouze u menších motorů na vyšších stupních a u exotičtějších propellantů. V tomto uspořádání je nutno zajistit u stabilizačních, případně orientačních, trysek přesnou regulaci v přesně stanovený časový okamžik.

Raketové motory nové generace jsou schopny využívat pro dodávku paliva čerpadla s elektromotory napájenými z baterie, které lze velmi precizně ovládat. Není tak potřeba udržovat pod tlakem nádrže s palivem a okysličovadlem, a tudíž nedochází ke ztrátám vznikajícím v klasických turbosoustrojích spálením části paliva k pohonu čerpadel dodávajících tlakové medium do nádrží. Palivová čerpadla patří k běžné praxi na většině dnes používaných nosičů. Energie je v nich dodávána z akumulátoru elektrické energie.

Podstata technického řešení

Toto technické řešení si klade za úkol navrhnout vysokootáčkové palivové čerpadlo s integrovaným pohonem se zajištěným spolehlivým mazáním a chlazením i v nestandardních provozních režimech.

Uvedený úkol řeší vysokootáčkové radiální palivové čerpadlo pro paliva používaná zejména v raketových nosičích nové generace, které má integrovaný pohon a prostor zaplavený čerpaným mediem, přičemž jeho rotor, nesoucí na svém horním konci oběžné kolo pro dopravu čerpaného media, je opatřen na obou koncích hydrodynamickými radiálními ložisky. Podstata čerpadla spočívá v tom, že na druhém konci rotoru je na jeho hřídeli upevněn disk axiálního ložiska rotující mezi dvěma stabilními opěrnými kotouči, přičemž mazací film mezi diskem axiálního ložiska a opěrnými kotouči tvoří čerpané medium, pro které je vytvořen průchod mezi statorem a rotorem čerpadla, a přičemž k povzbuzení průtoku čerpaného media do axiálního ložiska je zadní strana oběžného kola opatřena pomocnými vířivými lopatkami.

Čerpadlo je s výhodou opatřeno by-pass kanálem pro odvádění plynné fáze čerpaného media mimo axiální ložisko. To dovoluje fázovou změnu, tedy odpar, jen minimálnímu množství čerpaného a zároveň chladicího media (< 5 %), takže i při kritickém provozním režimu není podstatně ovlivněn provoz ložisek z hlediska jejich chlazení.

Technické řešení je založeno na kombinaci několika systémů a jejich zakomponování do vysokootáčkového radiálního čerpadla na kapalný kyslík navrženého s otevřeným oběžným kolem. To spolu se zaplaveným prostorem motoru nejlépe splňuje vstupní požadavky a spolu s inkorporovaným ložiskovým uzlem představuje konkurence schopnou variantu pro průmyslové aplikace v oblasti leteckých motorů.

Čerpadlo s integrovaným pohonem, tzv. „canned-motor-pump“, má vzhledem k nestandardním provozním parametrům adaptován ložiskový uzel, jehož součástí je axiální ložisko uložené na

- 1 CZ 36602 U1 rotoru proti pomocným vířivým lopatkám na zadní straně oběžného kola. Tím je zajištěna optimální kompenzace axiální síly, dostatečné chlazení a minimalizace tlakových ztrát v důsledku průtoku čerpaného media strojem, a rovněž ztrát vířením, a je tím zajištěna optimální účinnost pro dané rozměry.

Termální management pohonu čerpadla je zajištěn průtokem části čerpaného média mezi statorem a rotorem. Proudění je vynuceno geometrií oběžného kola, zejména zadních pomocných lopatek a uspořádáním ložiskového uzlu.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude dále objasněno pomocí výkresů, na nichž je na obr. 1 až 4 znázorněno příkladné palivové čerpadlo pro paliva používaná v raketových nosičích nové generace, přičemž na:

obr. 1 je pohled na čerpadlo proti směru vstupu čerpaného media;

obr. 2 je boční pohled;

obr. 3 pohled ve směru čerpaného media;

obr. 4 zvětšený řez A-A podle obr. 1;

obr. 5 představuje schematicky v řezu sestavu rotoru čerpadla opatřeného ložisky tvořícími ložiskový uzel, přičemž slabé šipky znázorňují průchod čerpaného media zaplaveným čerpadlem a silné šipky směr působení axiálních sil;

obr. 6 představuje v axonometrickém promítání sestavu samotného rotoru s oběžným kolem a diskem axiálního ložiska; a obr. 7 zadní stranu oběžného kola.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladné vysokootáčkové radiální palivové čerpadlo podle obr. 1 až 4 je určeno pro kapalný kyslík, jehož parametry umožňují tvorbu hydrodynamického polštáře s charakteristikami vhodnými pro danou aplikaci. Čerpadlo je tvořeno statorem 1 s vinutím 2 a se svorkovnicí 3, rotorem 4, který má integrován permanentní magnet 5 a na horním konci má připojeno oběžné kolo 6. Součástí čerpadla je dále vstupní hrdlo 7 a ložiskové domky 8, přičemž čerpadlo je uzavřeno zadním víkem 9.

Obr. 4 a 5 představují uspořádání rotoru 4 s aplikací ložiskového uzlu, ve kterém je uložen. Ložiskový uzel je tvořen segmentovými hydrodynamickými radiálními ložisky 10 na obou koncích rotoru 4, která jsou protékána čerpaným mediem. Čerpané medium protéká mezi statorem 1 a rotorem 4 a tvoří zde vrstvu lubrikantu a zároveň zajišťuje chlazení těchto dílů. Na druhém konci rotoru 4 je na jeho hřídeli upevněn disk 11 axiálního ložiska rotující mezi dvěma stabilními opěrnými kotouči 12. Přitom mazací film mezi diskem 11 axiálního ložiska a opěrnými kotouči 12 tvoří čerpané medium. Disk 11 axiálního ložiska je na obou stranách opatřen spirálovými drážkami 13, které posilují proudění čerpaného media mezi diskem 11 a kotouči 12 radiálním směrem. K dalšímu povzbuzení průtoku čerpaného media mezi statorem 1 a rotorem 4 do axiálního ložiska je zadní strana oběžného kola 6 opatřena pomocnými vířivými lopatkami 14.

- 2 CZ 36602 U1

Axiální ložisko je navrženo jako oboustranné a může tak přenášet kladné i záporné axiální zatížení - viz šipky v obr. 5, např. při doběhu stroje. Je navrženo tak, aby neomezovalo průtok čerpaného media strojem, nýbrž aby čerpací účinek ložiska pozitivně ovlivnil celkový průtok. Součástí konstrukce čerpadla je bypass axiálního ložiska sloužící k tomu, aby i při nestandardních 5 pracovních režimech, jako např. overdrive, ložisko neomezovalo čerpání chladiva, aby zůstalo zaplavené, a tedy plně funkční s maximální možnou nosností hydrodynamického polštáře.

Průmyslová využitelnost

Čerpadlo je určeného pro raketové nosiče nové generace s tahem 10 kN. Je použito k zajištění dostatečného průtoku a tlaku pro atomizéry ve spalovací komoře raketového motoru, kde umožňuje stabilní spalování. Je však plně vhodné i pro testovací kampaně pro různé raketové motory s nižšími výkony a při vícenásobném nasazení je použitelné i pro motory vyšších tahů. Konkrétní 15 popisované čerpadlo je navrženo pro čerpání kapalného kryogenního kyslíku.

Claims (1)

1. Palivové čerpadlo pro paliva používaná zejména v raketových nosičích nové generace, které má integrovaný pohon a prostor zaplavený čerpaným mediem, přičemž jeho rotor (4), nesoucí na svém 5 prvním konci oběžné kolo (6) pro dopravu čerpaného media, je opatřen na obou koncích hydrodynamickými radiálními ložisky (10), vyznačující se tím, že na druhém konci rotoru (4) je na jeho hřídeli upevněn disk (11) axiálního ložiska rotující mezi dvěma stabilními opěrnými kotouči (12), přičemž mazací film mezi diskem (11) axiálního ložiska a opěrnými kotouči (12) tvoří čerpané medium, pro které je vytvořen průchod mezi statorem (1) a rotorem (4) čerpadla, a přičemž 10 k povzbuzení průtoku čerpaného media do axiálního ložiska je zadní strana oběžného kola (6) opatřena pomocnými vířivými lopatkami (14).