RU2134821C1

RU2134821C1 - Booster pumping unit

Info

Publication number: RU2134821C1
Application number: RU97114699/06A
Authority: RU
Inventors: А.А. Азовский; ненко Ю.В. Демь; Ю.В. Демьяненко; А.И. Дмитренко; И.И. Калитин; А.Г. Кравченко
Original assignee: Конструкторское бюро химавтоматики
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 1999-08-20

Abstract

FIELD: manufacture of pumps; liquid-propellant rocker engines; cavitation-free operation of pumps of main turbo-pump unit. SUBSTANCE: booster pumping unit includes axial-flow pump 1, axial hydraulic turbine 2, starting gas turbine 3 and separating seal 4. Axial hydraulic turbine 2 includes wheel rotor 18, nozzle 19 for delivery of liquid to and discharge of it from hydraulic turbine. Wheel rotor 18 of hydraulic turbine is secured over periphery of blades 14 of pump impeller. Nozzle 19 for delivery of liquid to hydraulic turbine 2 is made in hydraulic turbine supply branch pipe. Starting gas turbine 3 is mounted on side opposite to supply branch pipe 8. Separating seal 4 is jet combination of impeller 5 and slotted seal 36 mounted between turbine 3 and pump 1. Booster pumping unit makes it possible to effect preliminary cooling of liquid-propellant rocket engine construction working on cryogenic components and to ensure high rate of picking up pressure and revolutions of turbo-pump unit in case of fast start of liquid-propellant rocket engine. EFFECT: reduction of overall dimensions; improved mass characteristics due to constructional combination of gas turbine and axial-flow pump. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано преимущественно в ЖРД для обеспечения бескавитационной работы насосов основного турбонасосного агрегата (ТНА). The invention relates to the field of pump engineering and can be used mainly in LRE to ensure cavitation-free operation of the pumps of the main turbopump unit (TNA).

Бескавитационную работу насосов ТНА можно обеспечить либо увеличением давления рабочих жидкостей в баках, либо установкой отдельного подкачивающего бустерного насоса. The cavitation-free operation of the TNA pumps can be achieved either by increasing the pressure of the working fluids in the tanks, or by installing a separate booster booster pump.

Увеличение давления рабочей жидкости в баках приводит к возрастанию толщины стенок и массы баков. Поэтому установка после баков бустерных насосов, обеспечивающих бескавитационную работу насосов основного ТНА, позволяет снизить величину давления наддува баков и их массу. An increase in the pressure of the working fluid in the tanks leads to an increase in the wall thickness and mass of the tanks. Therefore, the installation of booster pumps after the tanks, which ensures the cavitation-free operation of the pumps of the main ТНА, allows to reduce the pressure of the boost of the tanks and their mass.

В современных ЖРД роль бустерных насосов выполняют либо струйные насосы (эжекторы), либо осевые лопаточные насосы. Применение эжекторов ограничено их малой напорной способностью при низком КПД (от 0,05 до 0,2). In modern rocket engines, the role of booster pumps is played by either jet pumps (ejectors) or axial vane pumps. The use of ejectors is limited by their low pressure capacity at low efficiency (from 0.05 to 0.2).

Осевые лопаточные насосы по сравнению с эжекторами обладают более высокой напорной способностью и экономичностью. Поэтому в современных ЖРД для обеспечения бескавитационной работы насосов ТНА широко применяются бустерные насосные агрегаты (БНА) с осевым лопаточным насосом. Axial vane pumps in comparison with ejectors have a higher pressure capacity and efficiency. Therefore, in modern rocket engines, to ensure cavitation-free operation of TNA pumps, booster pump units (BNA) with an axial vane pump are widely used.

Известен БНА ЖРД, выполненный в виде единого блока и состоящий из осевого насоса и осевой гидравлической турбины. Known BNA LRE, made in the form of a single unit and consisting of an axial pump and an axial hydraulic turbine.

Осевой насос включает в себя корпус насоса, спрямляющий аппарат, выполненный с корпусом насоса как единое целое, и рабочее колесо насоса. В корпусе насоса выполнен патрубок подвода в насос и патрубок отвода из насоса. В спрямляющем аппарате выполнен один ряд лопаток. Рабочее колесо насоса представляет собой втулку рабочего колеса насоса и лопасти рабочего колеса насоса, составляющие единое целое. Рабочее колесо насоса закреплено на валу насоса гайкой. В качестве опор вала насоса использованы шарикоподшипники, установленные в корпусе насоса. Один из шарикоподшипников зафиксирован в осевом направлении и исключает осевое перемещение вала насоса. Осевая гидравлическая турбина включает в себя шестиступенчатое рабочее колесо, выполненное с валом насоса как единое целое, шестиступенчатый сопловой аппарат, подводящий ресивер гидравлической турбины, выполненный с корпусом насоса как единое целое, каналы подвода жидкости к гидравлической турбине и канал отвода жидкости из гидравлической турбины (Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. 3-е изд., перераб. и доп., М., Машиностроение, 1986, 376 с., ил., рис. 3.68). The axial pump includes a pump casing, a straightening device, made with the pump casing as a whole, and the impeller of the pump. In the pump housing, a supply pipe to the pump and a discharge pipe from the pump are made. In the straightening apparatus, one row of blades is made. The impeller of the pump is a sleeve of the impeller of the pump and the blades of the impeller of the pump, forming a single unit. The impeller of the pump is fixed to the pump shaft with a nut. As bearings of the pump shaft used ball bearings installed in the pump housing. One of the ball bearings is fixed in the axial direction and excludes axial movement of the pump shaft. An axial hydraulic turbine includes a six-speed impeller made with the pump shaft as a unit, a six-stage nozzle device, a supply receiver for a hydraulic turbine, made with a pump casing as a unit, channels for supplying fluid to a hydraulic turbine, and a channel for removing fluid from a hydraulic turbine (Ovsyannikov B.V., Borovsky B.I. Theory and calculation of power units for liquid rocket engines. 3rd ed., Revised and enlarged, M., Mechanical Engineering, 1986, 376 p., Ill., Fig. 3.68).

При работе БНА рабочая жидкость поступает в патрубок подвода в насос и подается рабочим колесом насоса через лопатки спрямляющего аппарата в полость отвода насоса. Крутящий момент к рабочему колесу насоса передается рабочим колесом гидравлической турбины, которое приводится во вращение жидкостью высокого давления, отбираемой за основным насосом ТНА и поступающей через подводящий ресивер и каналы подвода жидкости к гидравлической турбине. После рабочего колеса гидравлической турбины жидкость попадает в полость отвода насоса, где смешивается с потоком жидкости, протекающим через рабочее колесо насоса. During BNA operation, the working fluid enters the pump inlet pipe and is pumped by the impeller of the pump through the blades of the rectifier into the cavity of the pump outlet. The torque to the impeller of the pump is transmitted by the impeller of the hydraulic turbine, which is driven by a high-pressure fluid, taken after the main TNA pump and supplied through the inlet receiver and fluid supply channels to the hydraulic turbine. After the impeller of the hydraulic turbine, the fluid enters the pump exhaust cavity, where it mixes with the fluid flow flowing through the impeller of the pump.

Указанный БНА обладает следующими недостатками:
1. Наличие двух самостоятельных составных частей - осевого насоса и гидравлической турбины ведет к увеличению габаритов и массы.The specified BNA has the following disadvantages:
1. The presence of two independent components - an axial pump and a hydraulic turbine leads to an increase in size and weight.

2. БНА не обеспечивает предварительное захолаживание конструкции ЖРД, работающего на криогенных компонентах. 2. BNA does not provide preliminary cooling of the design of rocket engines operating on cryogenic components.

Наиболее близким к изобретению является бустерный насосный агрегат ЖРД, содержащий корпус насоса с патрубком подвода, рабочее колесо насоса, осевую гидравлическую турбину, закрепленную на периферии лопастей рабочего колеса насоса, а в корпусе насоса со стороны патрубка подвода выполнено сопло подвода жидкости на гидравлическую турбину (Аринушкин Л.С. Авиационные центробежные насосные агрегаты. М., Машиностроение, 1967, с. 196-197, рис. 8.4). Closest to the invention is a booster pumping unit LRE containing a pump housing with a supply pipe, an impeller, an axial hydraulic turbine mounted on the periphery of the blades of the pump impeller, and a nozzle for supplying liquid to a hydraulic turbine is made in the pump housing from the supply pipe side (Arinushkin L.S. Aircraft centrifugal pumping units. M., Mechanical Engineering, 1967, S. 196-197, Fig. 8.4).

Недостатком известного агрегата является то, что для обеспечения бескавитационной работы насосов ТНА в условиях "жесткого" запуска с высоким темпом набора давлений и оборотов ТНА раскрутка ротора БНА должна предварять раскрутку ротора ТНА, что невозможно обеспечить гидравлической турбиной БНА. A disadvantage of the known unit is that in order to ensure cavitation-free operation of TNA pumps under conditions of a “hard” start-up with a high rate of pressure and RPA set, the rotation of the BNA rotor must precede the rotation of the TNA rotor, which cannot be provided with a hydraulic turbine of the BNA.

Задачей изобретения является обеспечение бескавитационной работы насосов ТНА при "жестком" запуске ЖРД. The objective of the invention is to ensure cavitation-free operation of the TNA pumps during a "hard" launch of the rocket engine.

Для достижения указанного технического результата в бустерном насосном агрегате ЖРД, содержащем корпус насоса с патрубком подвода, рабочее колесо насоса, осевую гидравлическую турбину, закрепленную на периферии лопастей рабочего колеса насоса, а в корпусе насоса со стороны патрубка подвода выполнено сопло подвода жидкости на гидравлическую турбину, со стороны, противоположной патрубку подвода, в насос установлена пусковая газовая турбина, а между указанной турбиной и насосом установлено разделительное уплотнение в виде импеллера и щелевого уплотнения. To achieve the specified technical result in the booster pumping unit of the liquid propellant rocket engine containing a pump casing with a supply pipe, an impeller, an axial hydraulic turbine mounted on the periphery of the blades of the pump impeller, and a nozzle for supplying liquid to a hydraulic turbine is made in the pump casing from the supply pipe side, from the side opposite the supply pipe, a starting gas turbine is installed in the pump, and between the specified turbine and the pump a separation seal is installed in the form of an impeller and left seal.

Предлагаемый бустерный насосный агрегат представлен на фиг. 1-5. На фиг. 1 представлен общий вид БНА, на фиг. 2 - вид со стороны патрубка подвода в насос БНА, на фиг. 3 - разрез по сопловому аппарату БНА, на фиг. 4 - вид щелевого уплотнения БНА, на фиг. 5 - разрез по патрубку подвода жидкости на гидравлическую турбину. The proposed booster pump unit is shown in FIG. 1-5. In FIG. 1 is a general view of the SUA; FIG. 2 is a view from the side of the supply pipe to the SUA pump, in FIG. 3 is a section through the nozzle apparatus of the BNA, in FIG. 4 is a view of a slotted seal of a BNA; FIG. 5 is a section through a pipe for supplying fluid to a hydraulic turbine.

Бустерный насосный агрегат состоит из осевого насоса 1, осевой гидравлической турбины 2, пусковой газовой турбины 3 и разделительного уплотнения 4. Осевой насос 1 включает в себя корпус 5 насоса, корпус 6 спрямляющего аппарата и рабочее колесо 7 насоса. В корпусе 5 насоса выполнен патрубок 8 подвода в насос и патрубок 9 отвода из насоса, а также патрубок 10 подвода жидкости на гидравлическую турбину 2. В корпусе 6 спрямляющего аппарата выполнены два ряда лопаток 11 спрямляющего аппарата, на периферии которых закреплена оболочка 12 спрямляющего аппарата. Рабочее колесо 7 насоса представляет собой втулку 13 рабочего колеса насоса и лопасти 14 рабочего колеса насоса, составляющие единое целое. Рабочее колесо 7 насоса выполнено с валом 15 насоса как единое целое. В качестве опор вала 15 насоса использованы шарикоподшипники 16, 17, установленные в корпусе 6 спрямляющего аппарата. Шарикоподшипник 16 зафиксирован в осевом направлении и исключает осевое перемещение вала 15 насоса. Осевая гидравлическая турбина 2 включает в себя рабочее колесо 18 гидравлической турбины, сопло 19 подвода жидкости на гидравлическую турбину и канал 20 отвода жидкости из гидравлической турбины. Рабочее колесо 18 гидравлической турбины представляет собой кольцевой лопаточный венец 21, закрепленный на периферии лопастей 14 рабочего колеса насоса со стороны выхода. Сопло 19 подвода жидкости на гидравлическую турбину выполнено в патрубке 10 подвода на гидравлическую турбину. Отвод гидравлической турбины представляет собой канал 20 в оболочке 12 спрямляющего аппарата, соединяющий полость 22 гидравлической турбины с полостью 23 отвода насоса. Пусковая газовая турбина 3 включает в себя патрубок 24 подвода пускового газа, полость 25 пускового газа, сопловой аппарат 26, рабочее колесо 27 пусковой турбины и корпус 28 отвода. Патрубок подвода 24 пускового газа и полость 25 пускового газа выполнены в корпусе 6 спрямляющего аппарата. Сопловой аппарат 26 представляет собой диск, закрепленный в корпусе 6 спрямляющего аппарата. В диске выполнены 10 каналов (сопел) 29 для подвода пускового газа на рабочее колесо 27 пусковой турбины. Рабочее колесо 27 пусковой турбины установлено на валу 15 насоса на шлицах и закреплено гайкой 30. Корпус 28 отвода представляет собой полусферический сборник 31 с выполненным в нем патрубком 32 отвода пускового газа. Корпус 5 насоса, корпус 6 спрямляющего аппарата и корпус 28 отвода соединены между собой шпильками 33. Для предотвращения утечек жидкости в разъемах между корпусами установлены манжеты 34. Разделительное уплотнение 4 представляет собой комбинацию импеллера 35 и щелевого уплотнения 36. Импеллер 35 представляет собой оребренный диск, закрепленный на валу 15 насоса с помощью резьбы. Ребра диска обращены в сторону щелевого уплотнения 36. С неоребренной стороны диска импеллера 35 установлена оребренная крышка 37, ребра которой обращены в сторону импеллера 35. Щелевое уплотнение 36 представляет собой корпус 38 щелевого уплотнения с закрепленной в нем вставкой 39. Шарикоподшипник 16, крышка 37 и щелевое уплотнение 36 представляют собой пакет, закрепленный в корпусе 6 спрямляющего аппарата гайкой 40. The booster pump unit consists of an axial pump 1, an axial hydraulic turbine 2, a starting gas turbine 3 and a separation seal 4. The axial pump 1 includes a pump housing 5, a straightening apparatus housing 6 and a pump impeller 7. In the pump housing 5, a nozzle 8 for supplying the pump and a nozzle 9 for withdrawing from the pump, as well as a nozzle 10 for supplying liquid to the hydraulic turbine 2, are made in the housing 6 of the rectifier apparatus. Two rows of blades 11 of the rectifier apparatus are made on the periphery of which the sheath 12 of the rectifier apparatus is fixed. The impeller 7 of the pump is a sleeve 13 of the impeller of the pump and the blades 14 of the impeller of the pump, which make up a single whole. The impeller 7 of the pump is made with the shaft 15 of the pump as a whole. As bearings of the shaft 15 of the pump used ball bearings 16, 17 installed in the housing 6 of the rectifier. Ball bearing 16 is fixed in the axial direction and eliminates the axial movement of the shaft 15 of the pump. The axial hydraulic turbine 2 includes an impeller 18 of a hydraulic turbine, a nozzle 19 for supplying fluid to a hydraulic turbine, and a channel 20 for draining fluid from the hydraulic turbine. The impeller 18 of the hydraulic turbine is an annular blade rim 21, mounted on the periphery of the blades 14 of the impeller of the pump from the output side. The nozzle 19 for supplying fluid to a hydraulic turbine is made in the pipe 10 for supplying a hydraulic turbine. The outlet of the hydraulic turbine is a channel 20 in the shell 12 of the rectifier apparatus connecting the cavity 22 of the hydraulic turbine with the cavity 23 of the outlet of the pump. The starting gas turbine 3 includes a starting gas supply pipe 24, a starting gas cavity 25, a nozzle apparatus 26, a starting turbine impeller 27, and a branch housing 28. The inlet gas supply pipe 24 and the inlet gas cavity 25 are made in the housing 6 of the rectifier. The nozzle apparatus 26 is a disk mounted in the housing 6 of the rectifier apparatus. 10 channels (nozzles) 29 are made in the disk for supplying starting gas to the impeller 27 of the starting turbine. The impeller 27 of the starting turbine is mounted on the pump shaft 15 on the splines and secured with a nut 30. The exhaust housing 28 is a hemispherical collector 31 with a starting gas exhaust pipe 32 made therein. The pump housing 5, the rectifier housing 6 and the drain housing 28 are interconnected by pins 33. To prevent fluid leakage, cuffs 34 are installed between the housings. The separation seal 4 is a combination of an impeller 35 and a gap seal 36. The impeller 35 is a finned disk, fixed to the pump shaft 15 with a thread. The ribs of the disk are turned towards the gap seal 36. On the non-ribbed side of the disk of the impeller 35 there is a finned cover 37, the ribs of which are turned towards the impeller 35. The gap seal 36 is a housing 38 of the gap seal with the insert 39 fixed therein. Ball bearing 16, cover 37 and the gap seal 36 is a package fixed in the housing 6 of the rectifier apparatus with a nut 40.

При работе БНА рабочая жидкость поступает в патрубок 8 подвода в насос и подается рабочим колесом 7 насоса через лопатки 11 спрямляющего аппарата в полость 23 отвода насоса. Крутящий момент к рабочему колесу 7 насоса передается рабочим колесом 18 гидравлической турбины. Рабочее колесо 18 гидравлической турбины приводится во вращение жидкостью высокого давления, поступающей из основного ТНА через сопло 19 подвода жидкостью на гидравлическую турбину. После рабочего колеса 18 гидравлической турбины жидкость через канал 20 отвода жидкости из гидравлической турбины поступает в полость 23 отвода насоса, где смешивается с потоком жидкости, протекающим через рабочее колесо 7 насоса. During the operation of the BNA, the working fluid enters the nozzle 8 for supplying the pump and is supplied by the impeller 7 of the pump through the blades 11 of the rectifier to the cavity 23 of the pump outlet. Torque to the impeller 7 of the pump is transmitted by the impeller 18 of the hydraulic turbine. The impeller 18 of the hydraulic turbine is driven into rotation by high-pressure fluid coming from the main ТНА through the nozzle 19 for supplying fluid to the hydraulic turbine. After the impeller 18 of the hydraulic turbine, the liquid through the channel 20 of the fluid drain from the hydraulic turbine enters the cavity 23 of the pump outlet, where it is mixed with the fluid flow flowing through the impeller 7 of the pump.

При запуске и захолаживании двигателя, работающего на криогенных компонентах топлива, инертный газ (азот, гелий) из баллона через патрубок 24 подвода пускового газа поступает в полость 25 пускового газа и далее через сопла 29 в сопловом аппарате 26 - на рабочее колесо 27 пусковой турбины. После рабочего колеса 27 пусковой турбины инертный газ собирается в полусферическом сборнике 31 и далее через патрубок 32 отвода пускового газа отводится наружу. Крутящий момент, развиваемый рабочим колесом 27 пусковой турбины, через вал 15 насоса передается рабочему колесу 7 насоса. When starting and cooling the engine running on cryogenic fuel components, inert gas (nitrogen, helium) from the cylinder through the inlet gas supply pipe 24 enters the inlet gas cavity 25 and then through the nozzles 29 in the nozzle apparatus 26 to the impeller 27 of the start-up turbine. After the impeller 27 of the start-up turbine, inert gas is collected in the hemispherical collector 31 and then, through the inlet gas outlet pipe 32, is discharged outward. The torque developed by the impeller 27 of the starting turbine is transmitted through the pump shaft 15 to the impeller 7 of the pump.

При работе БНА давление в полости 41 насоса превышает давление в полости 42 пусковой газовой турбины. Рабочая жидкость движется в сторону низкого давления и заполняет полость 43 импеллера. При вращении импеллера 35 жидкость также начинает вращаться. Возникающая при этом центробежная сила уравновешивает силу давления, что исключает утечку. During operation of the BNA, the pressure in the cavity 41 of the pump exceeds the pressure in the cavity 42 of the starting gas turbine. The working fluid moves towards low pressure and fills the impeller cavity 43. As the impeller 35 rotates, the fluid also begins to rotate. The resulting centrifugal force balances the pressure force, which eliminates leakage.

Для предотвращения утечки жидкости в залитом БНА при невращающемся роторе установлено щелевое уплотнение 36. To prevent fluid leakage in the flooded SUA with a non-rotating rotor, a gap seal 36 is installed.

Благодаря совмещению рабочего колеса 18 гидравлической турбины с рабочим колесом 7 насоса, уменьшены габариты и масса, упрощена конструкция БНА. Due to the combination of the impeller 18 of the hydraulic turbine with the impeller 7 of the pump, the dimensions and weight are reduced, the design of the SUA is simplified.

Благодаря наличию пусковой газовой турбины 3, БНА обеспечивает подачу рабочей жидкости с заданным давлением при запуске двигателя и при его предварительном захолаживании. Due to the presence of a starting gas turbine 3, the BNA provides a supply of working fluid with a given pressure when starting the engine and during its preliminary cooling.

Импеллер 35 и щелевое уплотнение 36 обеспечивает минимальную утечку жидкости из полости 41 насоса в полость 42 пусковой газовой турбины. The impeller 35 and the gap seal 36 provide a minimum leakage of fluid from the cavity 41 of the pump into the cavity 42 of the starting gas turbine.

Использование предлагаемого изобретения не требует применения новых технологий, специальных приспособлений и не увеличивает трудоемкость изготовления БНА. The use of the invention does not require the use of new technologies, special devices and does not increase the complexity of manufacturing SUVs.

Claims

A booster pumping unit of the liquid propellant rocket engine containing a pump casing with a supply pipe, an impeller, an axial hydraulic turbine mounted on the periphery of the blades of the pump impeller, and a nozzle for supplying liquid to a hydraulic turbine is made in the pump casing from the supply pipe side, characterized in that opposite the supply pipe to the pump, a starting gas turbine is installed, and between the specified turbine and the pump a separation seal is installed in the form of an impeller and a gap seal.