DE3000344A1 - TURBO PUMP - Google Patents
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Description
Lucas Industries LimitedLucas Industries Limited
Great King StreetGreat King Street
GB-Birmingham 3. Januar 1979GB-Birmingham 3rd January 1979
Die Erfindung betrifft eine Turbopumpe für Medien. Die Laufräder von Turbopumpen sind im Betrieb axialen Lasten ausgesetzt," die von den Mediumdrücken abhängig sind, mit denen die Pumpe arbeitet. Es hat sich herausgestellt, daß es nicht möglich ist, die Größe und Richtung dieser axialen Lasten unter sich ändernden Bedingungen des Pumpenbetriebs genau vorherzusagen. Die Lasten auf Drucklager in der Pumpe können deshalb nicht vorhergesagt werden.The invention relates to a turbo pump for media. The impellers of turbo pumps are exposed to axial loads during operation, " which are dependent on the medium pressures with which the pump works. It turns out it isn't it is possible to accurately determine the magnitude and direction of these axial loads under changing conditions of pump operation to predict. The loads on thrust bearings in the pump cannot therefore be predicted.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbopumpe zu schaffen, bei der im Betrieb das Laufrad axial in Position gebracht wird, ohne mit Drucklagern zusammenzuwirken.The invention is based on the object of creating a turbo pump in which the impeller is axially in position during operation is brought without interacting with thrust bearings.
Eine Turbopumpe mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse drehbar gelagerten Laufrad, das zur Ausführung einer begrenzten axialen Bewegung diesem gegenüber eingerichtet ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und das Laufrad jeweils gegenüberliegende zylindrische Flächen haben, die eine erste ringförmige Durchflußdrosselung bilden, mit jeweils gegenüberliegenden, axial gerichteten Flächen versehen sind, die eine zweite ringförmige Durchflußdrosselung radial innerhalb der ersten Drosselung bilden, und weitere jeweils gegenüberliegende, axial gerichtete Flächen aufweisen, die einen Hingraum zwischen aer ersten und der zweiten ringförmigen Drosselung bilden, wobei die ringförmigen Drosselungen und der Ringraum einen Fließweg zwischen einerradial außenliegenden Hochdruckzone der PumpeA turbo pump with a housing and an impeller rotatably mounted in the housing, which is used to carry out a limited axial movement is set up opposite this, is characterized according to the invention in that the housing and the impeller each have opposing cylindrical surfaces which form a first annular flow restriction, are each provided with opposing, axially directed surfaces, which have a second annular flow restriction Form radially inside the first restriction, and further each opposing, axially directed surfaces have, which form a space between the first and the second annular throttling, the annular Restrictions and the annulus provide a flow path between a radially outer high pressure zone of the pump
Y/a/Ti . - 4 -Y / a / Ti. - 4 -
030030/0681030030/0681
und einer radial innenliegenden Niederdruckzone der Pumpe bilden.and form a radially inner low-pressure zone of the pump.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sindiThe invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings. In the drawings are i
Pig. 1 ein Längsschnitt durch eine bekannte Porm einer Turbopumpe,Pig. 1 a longitudinal section through a known form of a turbo pump,
Pig. 2 ein entsprechender Schnitt durch eine Turbopumpe nach ""der Erfindung, " ' 'Pig. 2 a corresponding section through a turbo pump according to "" of the invention, "' '
Pig. 3 im größeren Maßstab eine Einzelheit der Pumpe nach . ' Pig. ·2,Pig. 3 shows a detail of the pump on a larger scale. 'Pig. · 2,
Pig. 4 eine Einzelheit entsprechend Pig. 3 einer Alternativausführung der Pumpe undPig. 4 a detail corresponding to Pig. 3 of an alternative version the pump and
Pig. 5» 6 und 7 Einzelheiten ebenfalls entsprechend Pig. 3 von weiteren Alternativausführungen von Pumpen.Pig. 5, 6 and 7 details also according to Pig. 3 of other alternative designs of pumps.
Die in Pig. 1 gezeigte Pumpe 1 hat ein Gehäuse 10 mit einem Einlaß 11 und einem Spiralauslaß 12». Ein konisches Laufrad 13 mit Plügeln ist im Gehäuse 10 drehbar gelagert und kann eine begrenzte axiale Bewegung ausführen, deren Ausmaß durch betreffende Drucklager.14, 15 bestimmt ist. Mediumdrücke im' Inneren der Pumpe wirken auf die Plächen des Laufrads* Die Größen dieser Mediumdrücke können sich bei verschiedenen Einsätzen der Pumpe ändern, und sie können sich auch mit Änderungen in den Betriebsbedingungen der Pumpe bei einem gleichen Einsatz ändern.The one in Pig. The pump 1 shown in FIG. 1 has a housing 10 with an inlet 11 and a spiral outlet 12 '. A conical impeller 13 with Plügeln is rotatably mounted in the housing 10 and can perform a limited axial movement, the extent of which by relevant thrust bearing. 14, 15 is determined. Medium pressures inside the pump act on the surfaces of the impeller * The The sizes of these medium pressures can change with different uses of the pump, and they can also change with Change changes in the operating conditions of the pump for the same application.
Es ist deshalb schwierig, die Richtung und die Größe des resultierenden'' axialen Drucks auf das Laufrad 13 und folglich die Tatsache zu bestimmen, welches der Lager 14, 15 diesen Druck tragen muß.It is therefore difficult to determine the direction and size of the resulting ' axial pressure on the impeller 13 and consequently the fact to determine which of the bearings 14, 15 this Has to bear pressure.
Um das Lecken aus der Spirale 12 zu verringern, ist eine Labyrinthdichtung 18 durch Vorsprünge am Gehäuse 10 bzw. amTo reduce leakage from coil 12 is one Labyrinth seal 18 through projections on the housing 10 or on
Laufrad 13 vorgesehen. Die erforderlichen Toleranzen haben den Effekt, daß der Leckfluß durch das Labyrinth 18 erheblich ist, und dieser Leckfluß gelangt zu einer Zone 19 der Pumpe. Es ist erforderlich, die Zone 19 auf Niederdruck zu halten, damit das Laufrad 13 nicht nach rechts durch den Förderdruck der Pumpe gedrückt wird.. Die Zone 19 steht mit einem Ringkanal 20 in Verbindung, mittels dessen das Leckmedium zu dem Medium von dem Pumpeneinlaß 11 gelangen kann. Wegen !Coleranzen an der Labyrinthdichtung 18 können die Leckflüsse einen hohen Anteil der gesamten Pumpmenge ausmachen. Das Umwälzen des Leckmediums führt damit zu einem Temperaturanstieg, und wenn das Pumpmedium eine flüchtige Flüssigkeit, beispielsweise Treibstoff für Flugzeuge, ist, kann die Wiedereinführung erhitzter Flüssigkeit in die N±derdruckzone am Pumpeneinlaß zu Verdampfung und Reduktion im Massendurchfluß des Treibstoffs führen. Die unter Bezugnahme auf Fig. 2 zu beschreibende Pumpe erfordert kein Zurückleiten von Leckflüssen zum Pumpeneinlaß.Impeller 13 is provided. The required tolerances have the effect that the leakage flow through the labyrinth 18 is considerable is, and this leakage flow arrives at a zone 19 of the pump. Zone 19 must be set to low pressure hold so that the impeller 13 is not pushed to the right by the delivery pressure of the pump. Zone 19 is with it an annular channel 20 in connection, by means of which the leakage medium can reach the medium from the pump inlet 11. Because of! Coleranzen on the labyrinth seal 18, the Leak flows make up a high proportion of the total pump volume. The circulation of the leak medium leads to an increase in temperature, and when the pumping medium is a volatile liquid, such as aircraft fuel, can the reintroduction of heated liquid into the pressure zone lead to evaporation and reduction in the mass flow rate of the fuel at the pump inlet. The referring The pump to be described on Figure 2 does not require the return of leakage flows to the pump inlet.
Darüber hinaus führt das Labyrinth 18 zum Scheren von Medium am größeren Radius des Laufrads 13, und diese Scherwirkung setzt den Wirkungsgrad der Pumpe herab. Die Pumpe nach Fig. 2 sieht Mittel vor, mittels derer Leckverluste und die Effekte des Scherens wesentlich reduziert werden.In addition, the labyrinth 18 leads to the shearing of medium at the larger radius of the impeller 13, and this shearing action reduces the efficiency of the pump. The pump of Fig. 2 provides means by means of which leakage losses and the effects of shearing can be significantly reduced.
Die in Fig. 2 gezeigte Pumpe hat ein Gehäuse 30 mit einem Einlaß 31 und einem spiralförmigen Auslaßkanal 32. Ein wendeiförmige Flügel aufweisendes konisches Laufrad 33 ist in einer Lagerpartie 34 des Gehäuses 33 drehbar gelagert und •kann Medium vom Einlaß 31 sowohl axial als auch radial nach außen zum spiralförmigen Kanal 32 drücken. Das Laufrad 33 hat begrenzte axiale Bewegbarkeit der Lagerpartie 34 gegenüber, und in einer linken Grenzlage des Laufrads 33 (wie in Fig. 2 dargestellt) legt sich das Laufrad 33 gegen ein Drucklager 35. Ein Flanch 36 des Laufrads 33 legt sich gegen eineThe pump shown in Fig. 2 has a housing 30 with an inlet 31 and a spiral outlet channel 32. A helical Conical impeller 33 having vanes is rotatably mounted in a bearing part 34 of the housing 33 and • Can press medium from inlet 31 axially as well as radially outwards to spiral channel 32. The impeller 33 has limited axial mobility of the bearing part 34 opposite, and in a left limit position of the impeller 33 (as in Fig. 2) the impeller 33 rests against a thrust bearing 35. A flange 36 of the impeller 33 rests against a
federbelastete Flächendichtung 37, die im "Gehäuse 30 sitzt und eine Ringkammer 38 bildet, die über einen Kanal 39 mit dem spiralförmigen Auslaßkanal 32 in Verbindung steht. Der Druck im Auslaßkanal 32 beaufschlägt also den Plansch 36» um das laufrad 33 nach links in Anlage an das Drucklager 35 zu spannen.Spring-loaded surface seal 37, which sits in the "housing 30 and forms an annular chamber 38, which via a channel 39 with the spiral outlet channel 32 is in communication. The pressure in the outlet channel 32 therefore acts on the splash 36 » in order to tension the impeller 33 to the left in contact with the thrust bearing 35.
Angrenzende ringförmige Zonen 40 des Gehäuses und des Laufrad 33 haben Formen, die im einzelnen in Pig. 3 dargestellt sind. Gegenüberliegende zylindrische Flächen 41, 42 des Gehäuses 30 bzw.'des"Laufrads 33 bilden eine ringförmige Dir chflußdrosselung 43, deren Hemmung gegen den Mediumdruchfluß unabhängig von den relativen axialen Lagen des Gehäuses 30 und des Laufrads 33 ist. Ringförmige, axial gerichtete J1Iachenpartien 44, 45 des Gehäuses 30 bzw. des Laufrads 33 wir- ken zusammen, um eine zweite ringförmige Durchflußdrosselung 46 zu bilden, deren Widerstand gegen den Durchfluß von der relativen axialen Position des Gehäuses und des Laufrads abhängt. Ein Ringraum 47 zwischen den Drosselungen 43, 46 wirkt mit diesen so zusammen, daß ein Fließweg zwischen dem spiralförmigen Auslaßkanal 33 und einer Ringkammer 48 (Fig. 1) zwischen der Lagerpartie 34 des Gehäuses und einer Innenfläche des Laufrads 33 entsteht. Radiale Kanäle 49 im Laufrad 33 erstrecken sich zwischen der Kammer 48 und dem Kanal 32.Adjacent annular zones 40 of the housing and impeller 33 have shapes that are detailed in Pig. 3 are shown. Opposing cylindrical surfaces 41, 42 of the housing 30 bzw.'des "impeller 33 form an annular you chflußdrosselung 43 whose inhibition is against the Mediumdruchfluß independent of the relative axial positions of the housing 30 and the impeller 33rd Annular, axially directed J 1 Iachenpartien 44, 45 of the housing 30 and the impeller 33, respectively, cooperate to form a second annular flow restriction 46, the resistance to the flow of which depends on the relative axial position of the housing and the impeller. 46 cooperates with these to create a flow path between the spiral outlet channel 33 and an annular chamber 48 (FIG. 1) between the bearing portion 34 of the housing and an inner surface of the impeller 33. Radial channels 49 in the impeller 33 extend between the chamber 48 and channel 32.
Im Betrieb wandert Hochdruckmedium vom Auslaßkanal 32 durch die Drosselung 43, den Raum 47 und die Drosselung 46 zur Kammer 48. Medium in der Kammer 48 wird durch Fliehkraft durch die Kanäle 49 nach außen radial gedruckt. Der Druck in der Kammer 48 ist damit erheblich unter dem im Auslaßkanal 32, und er bleibt für bestimmte Druckwerte im Einlaß 31 und für die Pumpendrehzahl im wesentlichen konstant. Der Druck im Raum 47 hängt vom Durchfluß durch die Drosselung 46 und folglich von der axialen Lage des Laufrads 53 relativ zum Gehäuse 30 ab.In operation, high pressure medium migrates from the outlet channel 32 through the restriction 43, the space 47 and the restriction 46 to the chamber 48. Medium in the chamber 48 is pressed radially outward through the channels 49 by centrifugal force. The pressure in the Chamber 48 is thus considerably below that in outlet channel 32, and it remains in inlet 31 for certain pressure values and for the pump speed is essentially constant. The pressure in space 47 depends on the flow through restriction 46 and consequently of the axial position of the impeller 53 relative to the housing 30 from.
In einem speziellen, Einsatz wird der Pumpeneinlaß mit Medium mit relativ niedrigem Druck durch eine Druckerhöhungsvorrichtung innerhalb eines Mediumbehälters versorgt. Dieser Einlaßdruck und der Druck in der Kammer 38 kombinieren sich,'um das Laufrad 33 nach links zu drücken. Das Laufrad 33 wird durch den Druck im Raum 47 nach rechts gedruckt, wobei eine Bewegung"nach rechts den Durchfluß durch die Drosselung 46 ■ erhöht und den Druck im Raum 47 verringert. Das Laufrad 33 wandert"damit - in eine Gleichgewichtslage, in der die Druckkräfte, die auf es einwirken, sich gegenseitig aufheben. Es kann ohne weiteres sichergestellt werden, daß diese G-leichgewichtslage eine solche ist, daß das Laufrad 33 nicht mit dem Drucklager 35 zusammenwirkt. Es liegt auf der Hand, daß eine Bewegung des Laufrads 33 nach links eine Druckerhöhung im Raum 47 bewirkt, die sich dieser Bewegung entgegenstellt.In a special application, the pump inlet is filled with medium supplied with relatively low pressure by a pressure increasing device within a medium container. This inlet pressure and the pressure in chamber 38 combine to push impeller 33 to the left. The impeller 33 is printed by the pressure in space 47 to the right, with a movement "to the right" the flow through the throttle 46 ■ increased and the pressure in space 47 decreased. The impeller 33 moves "with it - into a position of equilibrium in which the pressure forces, which act on it cancel each other out. It can easily be ensured that this equilibrium position one is that the impeller 33 does not interact with the thrust bearing 35. It is obvious, that a movement of the impeller 33 to the left causes a pressure increase in space 47, which opposes this movement.
Eine Rückleitung von Leckmedium zum relativ hohen Druck im Auslaßkanal 32 hat den Effekt, daß die Tendenz zur Verdampfung umgewälzten Mediums wesentlich reduziert wird. Weil die Drosselung 43 am größeren Radiums des Laufrads 33 nur zwei gegenüberliegende Flächen hat, ist die Scherfläche auf das Leckmedium wesentlich verkleinert.A return line of leakage medium to the relatively high pressure in the outlet channel 32 has the effect that the tendency for evaporation circulated medium is significantly reduced. Because the restriction 43 on the larger radium of the impeller 33 is only two has opposite surfaces, the shear surface on the leak medium is significantly reduced.
Der Querschnitt des Ringraums 47 ist groß in bezug auf die Durchflußquerschnitte der Drosselungen 43» 46. Axiale Bewegungen des Laufrads 33 führen damit zu relativ großen Änderungen im Raum 47, und als Folge dieser Änderungen verdrängtes Medium muß durch die Drosselung 43 oder 46 fließen. Die Geschwindigkeit der axialen Bewegung des Laufrads 33 wird damit "durch die Drosselungen 43, 46 begrenzt, und diese Bewegungen werden damit gedämpft.The cross-section of the annular space 47 is large in relation to the flow cross-sections of the throttles 43 »46. Axial movements of the impeller 33 thus lead to relatively large changes in the space 47, and as a result of these changes displaced Medium must flow through restriction 43 or 46. The speed of the axial movement of the impeller 33 is thus "limited by the throttles 43, 46, and these movements are dampened with it.
In der in Fig. 4 gezeigten Abwandlung ist die Drosselung 43 in Fig. 3 durch zwei Drosselungen 50, 51 ersetzt, die zwischen sich einen Raum 52 bilden, in dem der Druck von der Größe des Leolcflusses abhängt, folglich auch von der axialen Posi-In the modification shown in FIG. 4, the throttle is 43 Replaced in Fig. 3 by two throttles 50, 51, which form between them a space 52 in which the pressure of the size of the Leolc flow, and consequently also on the axial posi-
0.30030/08«!0.30030 / 08 «!
tion, des Laufrads. Diese Anordnung sorgt für eine erhöhte Dämpfung der axialen'Bewegung des Laufrads 33, und indem zwei Drosselungen 50, 51 in Reihe vorgesehen sind, können die Haßtoleranzen der [Peile, die die Drosselungen 50, 51 bilden, größer als die entsprechenden Toleranzen sein, die die Drosselung 43 in Hg. 3 bilden.tion, of the impeller. This arrangement ensures an increased Damping of the axial movement of the impeller 33, and in that two throttles 50, 51 are provided in series, can the hate tolerances of the [bearings that form the throttles 50, 51, be greater than the corresponding tolerances that the Form throttling 43 in Hg. 3.
Die "in ]?ig. 5 gezeigte v/eitere Alternative hat eine Drosselung 55, die der Drosselung 43 der Pig. 3 entspricht. Das laufrad 33 hat einen T-Profil-Yorsprung 56, der mit einer V-Profil-Nut 57 im Gehäuse 30 zusammenwirkt. Der Vorsprung 56 und die Nut 57 bilden zwei Durchflußdrosselungen 58, 59 in Reihe, und ein Raum 60 ist zwischen den Drosselungen 55 und 58 vorhanden.The further alternative shown in FIG. 5 has a throttling 55, which is the throttling 43 of the pig. 3 corresponds. The impeller 33 has a T-profile Yorsprung 56, which with a V-profile groove 57 in the housing 30 cooperates. The lead 56 and the groove 57 form two flow restrictions 58, 59 in series, and a space 60 is between the restrictions 55 and 58 available.
Auf Grund der schrägen Wände der Nut 57 erhöht eine Bewegung des Laufrads 33 nach rechts den Durchflus-ß durch die Drosselungen 58, 59 nicht so viel wie eine entsprechende Bewegung des Laufrads 53 durch die Drosselung 46. Die Druckänderungsgeschwindigkeit im Raum 60 ist damit geringer als die der beiden vorangegangenen Ausführungsbeispiele.Due to the inclined walls of the groove 57, a movement of the impeller 33 to the right increases the flow rate through the throttles 58, 59 not as much as a corresponding movement of the impeller 53 through the restriction 46. The rate of pressure change in space 60 is thus less than that of the two previous exemplary embodiments.
V/eil der Gesamtbereich der axialen Bewegung des Laufrads klein ist, ist auch die Änderung im Volumenfluß durch die Drosselungen 43, 46 oder ihre Äquivalente klein. Die Druckänderung in der Kammer 48 ist ebenfalls gering, und der Druck in der Kammer 48 kann damit als im wesentlichen konstant angesehen werden.Because the total area of axial movement of the impeller is small, so is the change in volume flow through the impeller Restrictions 43, 46 or their equivalents are small. The change in pressure in the chamber 48 is also low, and the pressure in the chamber 48 can thus be regarded as essentially constant will.
Es ist wünschenswert, sicherzustellen, daß die Pliehkraftdruckdifferenz längs der Kanäle 49 nicht derart ist, daß dann, wenn der Durchfluß durch die Drosselungen 43, 46 Null beträgt oder nahe daran ist, der Druck in der Kammer 48 nicht auf einen Wert verringert wird, bei dem Kavitation erfolgen kann. In bestimmten Ausführungsbeispielen sind deshalb die radial inneren Enden der Kanäle 49 nicht mit den radial inne-It is desirable to ensure that the thrust pressure differential along the channels 49 is not such that when the flow through the throttles 43, 46 is zero is or is close to, the pressure in chamber 48 is not reduced to a level at which cavitation will occur can. In certain exemplary embodiments, the radially inner ends of the channels 49 are therefore not aligned with the radially inner
- 9--03ÜÖ3Ö/0S63 - 9-- 03ÜÖ3Ö / 0S63
reu Enden der Drosselungen 46 flmhtendo' Ein .aölßhss Ausfüh·= rungsb ei spiel ist in -Pig· 6 gezeigt > "--Be ;verstekt sie&p daß die inneren Enden der Kanäle 49 nach Becferf entweder radial innerhalb oder radial außerhalb der Drosselung 46 liegen können, ' reu ends of the restrictions 46 flmhtendo 'Ein .aölßhss Ausfüh · = The example of a game is shown in -Pig · 6> "--Be; hide them & p that the inner ends of the channels 49 according to Becferf either radially may lie inside or radially outside of the restriction 46, '
Es versteht sich ferner, daß die Drosselungen 43p 46 und der Raum 47 !zwischen dem laufrad 33 und .ftsm Gehäuse 30 in der Altemativform gebildet sein können^' di@ in !Ag0 7 gezeigt ist,, und daß außerdem das Laufrad ülid das G-eMus'e In den B©i° spielen nach Pig. 4 und 5 transpon^rt^ sein kxSnnen^ ohne den Rahmen -der Erfindung zu verlassen0 .,:: - 'It is also understood that the throttles 43p 46 and the space 47! Between the impeller 33 and .ftsm housing 30 can be formed in the alternative form ^ 'di @ in! Ag 0 7 is shown, and that also the impeller ülid das G-eMus'e In den B © i ° play after Pig. 4 and 5 can be transpon ^ rt ^ without leaving the scope of the invention 0. , :: - '
■ I.■ I.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8130 | Withdrawal |