RU2341689C2

RU2341689C2 - Turbo pump assembly

Info

Publication number: RU2341689C2
Application number: RU2007103317/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Анкудинов (RU); Анатолий Александрович Анкудинов; Сергей Васильевич Дручек (RU); Сергей Васильевич Дручек
Original assignee: Анатолий Александрович Анкудинов; Сергей Васильевич Дручек
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-12-20
Also published as: RU2007103317A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to turbo pump units and can be used in space and aircraft engineering and other industrial branches taking use of centrifugal pumps to pump over cryogenic liquids, for example, liquefied natural gas. The turbo pump assembly incorporates a housing and rotor with a screw, impeller and hydraulic turbine. The aforesaid assembly rotor runs in plain bearings lubed by fluid pumped over and incorporates thrust devices representing primary hydraulic thrust bearing and starting thrust bearing sustaining axial forces. The screw has a screen to make an axial-vortex stage with a flow section greater at the inlet that at the outlet. The first thrust bearing is arranged between the said axial-vortex stage and the impeller, the impeller being furnished with orifices to communicate the hydraulic thrust bearing drain space with the impeller inlet. To add to operation stability at smaller capacities, a circular chamber is arranged in the housing right ahead the impeller communicating, via heat exchanger, with the pump inlet. Cooled fluid comes into the pump inlet via manifold and nozzles directed along the flow.

EFFECT: higher stability, improved cavitation properties.

2 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to hydraulic engineering, for the improvement of turbopump units and can be used in space technology, the aviation industry and other industries that use centrifugal pumps, mainly pumping cryogenic liquids, such as liquefied natural gas (LNG). High demands are placed on such pumps in terms of reliability, cavitation qualities, and the absence of pressure pulsations of large amplitude with low mass and dimensions.

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.Oxygen-hydrogen liquid-propellant rocket engines with a booster pump of an oxidizing agent with a hydraulic turbine are known (see, for example, RF patent 2099569, F02K 9/48), the disadvantage of which is the low stability of operation at low flow rates when a gaseous vapor phase is generated due to amplification heat transfer from "hot" leaks.

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.Known turbopump units with rolling bearings operating on the pumped liquid, having a screw at the inlet to improve cavitation qualities (see, for example, Turbopump PT-15-60u, “High-speed vane pumps.” / Ed. By B.V. Ovsyannikov and V.F. Chebaevsky. M.: "Engineering", 1975, Fig. 3, p. 10). This design has rolling bearings lubricated by the pumped liquid, which reduces the resource of the turbopump and increases its weight and dimensions. In addition, in starting conditions, the total axial force can significantly exceed the axial force in the design operating modes, which leads to failure of the bearings.

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.In turbo pump modes with a supply lower than the calculated one, reverse fluid flows occur at the inlet of the auger, causing intense pressure pulsations in the flow part, and this can additionally lead to a decrease in the reliability of the pump.

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.In the case of operation of the unit on a cryogenic liquid, such as methane, a failure can occur due to heating of the liquid and the release of the gaseous phase from the LNG, which leads to loss of stability and self-oscillations.

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).To improve cavitation qualities and reduce pressure pulsations in centrifugal pumps, an upstream axial vortex stage is used, which has a screw with a cylindrical sleeve and a fixed screw grate at its periphery (see, for example, patent of the Russian Federation 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).The closest in technical essence and the achieved result is a turbopump assembly containing a housing and a rotor with a screw, a centrifugal wheel and a hydraulic turbine mounted on sliding bearings powered by the pumped liquid, thrust devices - the main hydraulic heel and the starting heel for sensing axial forces, the bearing fed from the built-in labyrinth pump, and the second bearing, fed from the differential fluid between the cavity of the turbine and the centrifugal wheel, and the drain chamber of the hydraulic heel connected to the inlet of the centrifugal wheel (see, for example, patent US 5529464 A).

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.The disadvantages of this device is the low reliability when working at low feeds due to intense reverse currents of the liquid and local heating of the liquid with the release of the vapor phase.

Задачей изобретения является повышение надежности, устойчивости в широком диапазоне режимов работы по подаче, включая пусковые режимы, улучшение кавитационных качеств и уменьшение габаритов агрегата.The objective of the invention is to increase reliability, stability in a wide range of operating modes for feeding, including starting modes, improving cavitation qualities and reducing the dimensions of the unit.

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.The technical result consists in eliminating the effect of “steaming” caused by reverse fluid flows at the inlet of the centrifugal wheel, for which a special annular chamber is made and the overheated liquid is discharged through the cooling heat exchanger into the inlet pipe and through nozzles directed upstream.

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.The technical result is achieved in that in a turbopump assembly comprising a housing and a rotor with an auger, a centrifugal wheel and a hydraulic turbine mounted on sliding bearings powered by the pumped liquid, the thrust devices are a hydraulic main heel and a starting heel for sensing axial forces, the first bearing fed from the built-in labyrinth pump, and a second bearing, fed from the differential pressure of the fluid between the cavity of the turbine and the centrifugal wheel, and the drain chamber of the hydraulic heel is connected to the input ohm of the centrifugal wheel, according to the invention, the screw has a helical blade grid at the periphery, which together forms an axial vortex stage with a larger bore at the entrance than at the exit, the first bearing is placed between the axial vortex stage and the centrifugal wheel, and holes are made in the disk of the latter, through which the drain chamber hydraulic heel connected to the entrance of the centrifugal wheel.

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.In front of the centrifugal wheel, an annular chamber can be made in the casing, which is connected through the heat exchanger to the pump inlet, and the cooled liquid enters the pump inlet through the manifold and flow-oriented nozzles.

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.The drawing shows a longitudinal section of a turbopump assembly. The turbopump assembly comprises a housing 1 and a rotor 2 with a screw 3 having a helical grid of blades 4 at the periphery, forming an axial vortex stage with a larger bore at the inlet than at the outlet; a centrifugal wheel 5 and a hydraulic turbine 6 mounted on hydrodynamic plain bearings 7 with a labyrinth pump 8 and 9 supplying liquid to it, the liquid to which flows due to the pressure difference between the centrifugal wheel and the hydraulic turbine. The axial force is perceived by a hydro-spot 10 mounted on the housing and forming with it an annular radial slot 11 and an end slot 12 of variable resistance, a hydraulic heel chamber 13 placed between them, a chamber for removing leaks 14, which enter the input of the centrifugal wheel through holes 15 in its disk.

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.For sensing axial forces during starts, a hydrotheat is placed on the disk of the hydraulic turbine 16. An end seal 17 is used to seal the unit. To remove “hot” leaks, an annular chamber 18 is made in front of the centrifugal wheel to be connected to the centrifugal wheel, connected by pipelines 19 through the heat exchanger 20 and collector 21, from which the cooled liquid enters the flow-oriented nozzles 22.

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.The turbopump assembly works as follows: the fluid enters the inlet of the housing 1 to the screw 3 with a screw grid of the blades 4, forming an axial vortex stage, which reduces pressure pulsations and improves cavitation qualities. Further, the fluid passes through radial stiffeners mounted on the housing 1, passes into the centrifugal wheel 5, acquires energy and enters the consumer through the pipe of the spiral outlet of housing 1. The rotor of the unit is supported by bearings 7 and 9. The bearing 7 is lubricated with the working fluid coming from the labyrinth pump 8. The working fluid is supplied to the bearing 9 from the cavity of the hydraulic turbine 6. To unload the axial forces in the design of the turbopump, the hydraulic unloading device 10 is used with the selection of fluid from the centrifugal wheel 5 through a radial throttling ring slot 11 of constant resistance and overflow into the chamber to drain leaks 14. When the pump is in operation, in the event of the rotor 2 being shifted to the right, the end throttling plate decreases the fir-tree 12 of variable resistance, which leads to an increase in pressure in the chamber of the hydrosail 13 and the restoration of the gap in the end throttle slit 12. The axial displacement of the rotor 2 to the left during operation is limited by the starting fifth 16 and the thrust bearing on the turbine disk. From the chamber of the hydraulic foot 13, the liquid through the drain chamber 14 and the drain discharge holes in the hub of the centrifugal wheel 15 enters the suction region. This arrangement allows you to constructively obtain the minimum dimensions. The mechanical seal 17 serves to seal the cavity of the turbine. In the low feed modes at the inlet of the centrifugal wheel 5, reverse fluid flows occur and there is a high likelihood of vapors being pumped out and disruption of the unit in low flow modes. To eliminate the effect of "steaming" at the entrance to the centrifugal wheel 5 there is an annular chamber 18 connected by openings and a pipe 19 with a heat exchanger 20 and a cooling medium connected to it. Further, through the pipe 19, the cooled liquid enters the manifold 21 and the nozzles 22, oriented in the flow, which further improves the cavitation properties of the unit by increasing the flow energy.

Применение изобретения позволит уменьшить габариты, повысить надежность работы турбонасоса, улучшить кавитационные качества, снизить пульсации давления и повысить устойчивость на всех режимах работы.The application of the invention will reduce the size, increase the reliability of the turbopump, improve cavitation properties, reduce pressure pulsations and increase stability in all operating modes.

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.It is most advisable to use the invention in aviation and space technology, where the requirements are high for cavitation qualities, reliability and at the same time require small dimensions, weight, at low levels of pressure pulsation, vibration and noise. It is preferable to use the invention in systems pumping liquefied gas and cryogenic liquids.

Claims

1. A turbopump assembly comprising a housing and a rotor with a screw, a centrifugal wheel and a hydraulic turbine mounted on sliding bearings powered by the pumped liquid, thrust devices - a hydraulic main and starting heel for sensing axial forces, the first bearing, powered by an integrated labyrinth pump, and a second bearing, fed from the differential pressure of the fluid between the cavity of the turbine and the centrifugal wheel, and the drain chamber of the hydraulic heel is in communication with the input of the centrifugal wheel, characterized in that then the auger has a helical lattice of blades on the periphery, which together form an axial vortex stage with a larger bore at the inlet than at the outlet, the first bearing is placed between the axial vortex stage and the centrifugal wheel, and holes are made in the disk of the latter, through which the drain chamber of the hydraulic heel communicates with the input centrifugal wheels.

2. The unit according to claim 1, characterized in that in front of the centrifugal wheel in the housing there is an annular chamber connected through a heat exchanger to the pump inlet, and the cooled liquid enters the pump inlet through a manifold and flow-oriented nozzles.