RU2423621C1

RU2423621C1 - Turbine pump

Info

Publication number: RU2423621C1
Application number: RU2009142085/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-07-10
Also published as: RU2009142085A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: turbine pump comprises bodies 10, 23, a centrifugal pump 1, a screw 14, turbines 15, 16. The centrifugal pump comprises a centrifugal impeller 4 with a hub 5, installed on an outer hollow shaft 3, which is installed in a bearing 9, protected with a seal 47. The turbines 15, 16 comprise nozzle blocks 21, 22 and impellers 17, 18, a body 23, an input and an output nozzles 51, 52. Inside the shaft 3 on bearings 12, 13 there is an inner shaft 11. The impellers 17, 18 of the turbines 15, 16 are installed accordingly on an inner and an outer shafts 3, 11. The screw 14 is installed on the outer shaft 3, at the same time the impeller 18 of the second turbine 16 is arranged with a smaller diameter compared to the impeller 17 of the first turbine 15 and is installed in the back cavity 25, arranged inside the body 23 of the turbines 15, 16 in its central part. The channel 53 of gas supply to the second turbine 16 is arranged in the diaphragm 49, and the channel of gas bleed - in the form of one or several tubes 54, which connect the back cavity 25 with the outlet nozzle 52 of turbines.

EFFECT: improved cavitation properties of a pump included into a composition of a turbine pump and unloading of axial forces in inner and outer shafts.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в любых отраслях техники для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных включений, в том числе для перекачки криогенных жидкостей. Предпочтительно насос использовать в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей, в том числе на криогенных компонентах.The invention relates to pump engineering and can be used in any technical field for pumping liquids that do not contain abrasive inclusions, including for pumping cryogenic liquids. It is preferable to use the pump in turbopump units (TNA) of liquid propellant rocket engines, including cryogenic components.

Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, 10.03.1998. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, рабочее колесо и шнек, установленные на валу. Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет с ним одинаковую угловую скорость вращения. Это не позволяет эксплуатировать насос на очень больших оборотах, например 40…100 тыс. об/мин, поэтому такие насосы в настоящее время не применяются.Known screw centrifugal pump according to the patent of the Russian Federation No. 2106534, 03/10/1998. This centrifugal screw pump comprises a housing, an impeller, and an auger mounted on a shaft. The screw improves the cavitation properties of the pump, as it has better cavitation properties than a centrifugal impeller, but it is mechanically connected to the impeller of the pump and has the same angular rotation speed with it. This does not allow the pump to be operated at very high speeds, for example 40 ... 100 thousand rpm, therefore, such pumps are not currently used.

Известен турбонасосный агрегат по патенту РФ №2300021, который содержит многоступенчатый центробежный насос и одноступенчатую турбину. Для уменьшения габаритов насос и турбина спроектированы на максимально допустимую по прочности частоту вращения ротора ТНА. При этом кавитационные качества насоса ухудшаются.Known turbopump assembly according to the patent of the Russian Federation No. 2300021, which contains a multistage centrifugal pump and a single-stage turbine. To reduce the dimensions, the pump and turbine are designed for the maximum permissible strength rotational speed of the TNA rotor. At the same time, the cavitational qualities of the pump are deteriorating.

Наиболее близким к изобретению является турбонасосный агрегат (ТНА) по патенту РФ на изобретение №2083881, 10.07.1997, содержащий корпусы, центробежный насос, содержащий, в свою очередь, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на внешнем валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, две турбины, содержащие, в свою очередь, два сопловых аппарата и два рабочих колеса, корпус, входной и выхлопной патрубки. Его недостатки: плохие кавитационные качества центробежного насоса, особенно при его работе на больших частотах вращения, а также плохая разгрузка осевых сил. При подводе газа в турбину со стороны, противоположной входу в насос, осевые силы, действующие на ротор турбины и ротор насоса, направлены в одну сторону, т.е. складываются по абсолютному значению.Closest to the invention is a turbopump assembly (TNA) according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2083881, 07/10/1997, comprising housings, a centrifugal pump, containing, in turn, a centrifugal impeller with a hub mounted on an external shaft that is mounted in a bearing, protected by a seal, and an auger, two turbines, which, in turn, contain two nozzle apparatuses and two impellers, a housing, an inlet and an exhaust pipe. Its disadvantages: poor cavitation properties of a centrifugal pump, especially when it is operating at high speeds, as well as poor unloading of axial forces. When gas is supplied to the turbine from the side opposite to the pump inlet, the axial forces acting on the turbine rotor and the pump rotor are directed in one direction, i.e. add up to the absolute value.

Задачами создания изобретения являются улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов.The objectives of the invention are to improve the cavitation properties of the pump and to ensure the unloading of the axial forces of the internal and intermediate shafts.

Технический результат достигается тем, что в турбонасосном агрегате, содержащем корпусы, центробежный насос, содержащий, в свою очередь, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на внешнем валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, и шнек, две турбины, содержащие, в свою очередь, два сопловых аппарата и два рабочих колеса, корпус, входной и выхлопной патрубки, согласно изобретению внутри вала на подшипниках установлен внутренний вал, рабочие колеса турбин установлены соответственно на внешнем и внутреннем валах, а шнек установлен на внешнем валу, при этом рабочее колесо второй турбины выполнено меньшего диаметра, чем рабочее колесо первой турбины, и установлено в задней полости, выполненной внутри корпуса турбин в его центральной части, канал подвода газа ко второй турбине выполнен в диафрагме, а канал отвода газа - в виде одной или нескольких трубок, соединяющих заднюю полость с выхлопным патрубком турбины. Внутри ступицы выполнены внутренняя полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса. Внутри сквозных отверстий установлены центробежные регуляторы расхода.The technical result is achieved by the fact that in a turbopump assembly containing housings, a centrifugal pump, comprising, in turn, a centrifugal impeller with a hub mounted on an external shaft, which is installed in a bearing protected by a seal, and an auger, two turbines, containing in turn, two nozzle apparatuses and two impellers, a housing, an inlet and an exhaust pipe, according to the invention, an inner shaft is mounted on the bearings inside the shaft, the impellers of the turbines are mounted respectively on the outer and inner m shafts, and the auger is mounted on the external shaft, while the impeller of the second turbine is made smaller in diameter than the impeller of the first turbine, and is installed in the rear cavity made inside the turbine casing in its central part, the gas supply channel to the second turbine is made in the diaphragm and the gas exhaust channel is in the form of one or more tubes connecting the rear cavity to the exhaust pipe of the turbine. Inside the hub there is an internal cavity and through holes connecting the internal cavity of the hub with the cavity inside the centrifugal impeller. Centrifugal flow controllers are installed inside the through holes.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6, где:The invention is illustrated in figure 1 ... 6, where:

- на фиг.1 приведен чертеж турбонасосного агрегата,- figure 1 shows a drawing of a turbopump unit,

- на фиг.2 приведено сечение А-А,- figure 2 shows a section aa,

- на фиг.3 приведен узел Б на фиг.1 первого варианта,- figure 3 shows the node B in figure 1 of the first option,

- на фиг.4 приведен узел Б на фиг.1 второго варианта,- figure 4 shows the node B in figure 1 of the second option,

- на фиг.5 приведен узел Б на фиг.1 третьего варианта,- figure 5 shows the node B in figure 1 of the third option,

- на фиг.6 приведена конструкция поршня.- figure 6 shows the design of the piston.

Турбонасосный агрегат (фиг.1) содержит центробежный насос 1 и две турбины 2. Центробежный насос 1 содержит внешний вал 3, который выполнен пустотелым. На внешнем валу 3 установлено центробежное рабочее колесо 4. Центробежное рабочее колесо 4 содержит ступицу 5, лопасти 6, переднюю стенку 7 и полости 8 между лопастями 6 и передней стенкой 7. Внешний вал 3 установлен на подшипнике 9 в корпусе 10. Внутренний вал 11 проходит внутри ступицы 5 и установлен на радиальном и упорном внутренних подшипниках 12 и 13 соответственно. На внутреннем валу 9 со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 установлен шнек 14.The turbopump unit (Fig. 1) contains a centrifugal pump 1 and two turbines 2. The centrifugal pump 1 contains an external shaft 3, which is made hollow. A centrifugal impeller 4 is installed on the outer shaft 3. The centrifugal impeller 4 contains a hub 5, blades 6, a front wall 7 and cavities 8 between the blades 6 and the front wall 7. The outer shaft 3 is mounted on a bearing 9 in the housing 10. The inner shaft 11 extends inside the hub 5 and mounted on a radial and thrust internal bearings 12 and 13, respectively. On the inner shaft 9 from the entrance to the centrifugal impeller 4, a screw 14 is installed.

Турбины 2, точнее первая и вторая турбины 15 и 16, независимы друг от друга, т.е. не связаны механически и могут вращаться с различными угловыми скоростями. На противоположном конце внешнего вала 3 закреплено рабочее колесо 17 первой турбины 15. На противоположном конце внутреннего вала 11 установлено рабочее колесо 18 второй ступени турбины 16. Рабочие колеса 17 и 18 содержат рабочие лопатки 19 и 20 соответственно. Перед рабочими колесами 19 и 20 закреплены соответственно сопловые аппараты 21 и 22. Рабочие колеса 17 и 18 и сопловые аппараты 21 и 22 установлены в корпусе 23 турбины 2. Между первой турбиной 15 и второй турбиной 16 установлена диафрагма 24. Между корпусом 23 турбин 15 и 16 и внешним валом 3 в центральной части выполнена задняя полость 25, в которой установлена вторая турбина 16. Рабочее колесо 18 второй турбины 16 имеет меньший диаметр, чем рабочее колесо 17 первой турбины 15. Это необходимо для того, чтобы вторая турбина 16 получилась меньшей мощности, чем первая турбина 15.Turbines 2, more precisely the first and second turbines 15 and 16, are independent of each other, i.e. not mechanically coupled and can rotate at different angular speeds. At the opposite end of the outer shaft 3, the impeller 17 of the first turbine 15 is fixed. At the opposite end of the inner shaft 11, the impeller 18 of the second stage of the turbine 16 is installed. The impellers 17 and 18 contain the impellers 19 and 20, respectively. Nozzle apparatuses 21 and 22 are fixed in front of the impellers 19 and 20, respectively. The impellers 17 and 18 and the nozzle apparatuses 21 and 22 are installed in the housing 23 of the turbine 2. A diaphragm 24 is installed between the first turbine 15 and the second turbine 16. Between the housing 23 of the turbines 15 and 16 and an external shaft 3 in the central part has a rear cavity 25 in which a second turbine 16 is installed. The impeller 18 of the second turbine 16 has a smaller diameter than the impeller 17 of the first turbine 15. This is necessary so that the second turbine 16 is less power than the first Urbina 15.

К корпусу 10 центробежного насоса 1 подстыкованы входной корпус 26, имеющий полость 27, и выходной корпус 28, имеющий полость 29. Между корпусом 10 и центробежным рабочим колесом 2 выполнено переднее уплотнение 30. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 4 на его ступице 5 выполнены заднее уплотнение 31 и разгрузочная полость 32. Внутри ступицы 5 выполнена промежуточная полость 33. В ступице 5 центробежного колеса 4 выполнена внутренняя полость 34 и отверстия 35 (фиг.1 и 3). При этом отверстия 35 соединяют полость 6 с внутренней полостью 34 и предназначены для возврата отобранного для смазки подшипников расхода перекачиваемого продукта в центробежное рабочее колесо 4. Отверстия 35 выполнены или под углом 90° (т.е. радиально фиг.3 и 4 или перпендикулярно к оси насоса, фиг.5) или под острым углом к оси насоса (т.е. под углом менее 90°). Это исключит движения вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства. Во внутреннем валу 11 против промежуточной полости 33 выполнены радиальные отверстия 36. Внутренняя полость 31 радиальными отверстиями 34, выполненными во внутреннем валу 11, соединяют полость 33 с полостью вала 37, выполненной внутри внутреннего вала 11An input housing 26 having a cavity 27 and an output housing 28 having a cavity 29 are connected to the housing 10 of the centrifugal pump 1. A front seal 30 is made between the housing 10 and the centrifugal impeller 2. From the rear end of the centrifugal impeller 4, its hub 5 is made the rear seal 31 and the discharge cavity 32. Inside the hub 5, an intermediate cavity 33 is made. In the hub 5 of the centrifugal wheel 4, an internal cavity 34 and holes 35 are made (FIGS. 1 and 3). In this case, the openings 35 connect the cavity 6 to the internal cavity 34 and are intended to return the flow rate of the pumped product selected for the lubrication of the bearings to the centrifugal impeller 4. The openings 35 are made either at an angle of 90 ° (i.e., radially FIGS. 3 and 4 or perpendicular to axis of the pump, FIG. 5) or at an acute angle to the axis of the pump (i.e., at an angle of less than 90 °). This will exclude the movement of the introduced heated leakage of the pumped product towards the pump inlet and thereby improve its cavitation properties. Radial holes 36 are made in the inner shaft 11 against the intermediate cavity 33. The inner cavity 31 with radial holes 34 made in the inner shaft 11 connect the cavity 33 with the cavity of the shaft 37 made inside the inner shaft 11

Внутри отверстий 35 могут быть установлены центробежные регуляторы расхода 38 (фиг.4…5). Центробежные регуляторы расхода 38 выполнены с возможностью уменьшения расхода перекачиваемого продукта через них при увеличении скорости вращения внешнего вала насоса.Inside the holes 35 can be installed centrifugal flow control 38 (Fig.4 ... 5). Centrifugal flow control 38 is made with the possibility of reducing the flow of the pumped product through them with increasing speed of the external shaft of the pump.

Конструкция центробежного регулятора расхода 38 приведена на фиг.4…6. Он содержит седло 39, клапан 40 со штоком 41 и поршнем 42. Внутри седла 39 установлена пружина 43, упирающаяся в поршень 42 и создающая усилие, направленное к оси насоса ОО, т.е. открывающее центробежный регулятор расхода 38. В поршне 42 выполнены отверстия 44 (фиг.6) для возврата части расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4.The design of the centrifugal flow controller 38 is shown in figure 4 ... 6. It contains a seat 39, a valve 40 with a stem 41 and a piston 42. A spring 43 is installed inside the seat 39, abutting against the piston 42 and creating a force directed to the axis of the pump ОО, i.e. opening the centrifugal flow controller 38. In the piston 42, holes 44 are made (6) to return part of the flow rate of the pumped product into the centrifugal impeller 4.

Внутри внешнего вала 3 между центробежным насосом 1 и двумя турбинами 2 выполнена задняя полость 45, уплотненная с обеих сторон внутренними уплотнениями 46. В этой полости установлен подшипник 13 (фиг.1). Между центробежным насосом 1 и двумя турбинами 15 и 16 установлено внешнее уплотнение 47, которое отделяет подшипник 9 от турбины 2. Радиальные отверстия 48 выполнены во внутреннем валу 11 и соединяют полости 45 и 37 для смазки подшипников 7 и 13. Наклонные отверстия 49 выполнены во внешнем валу 3. Подшипник 9 установлен в корпусе 49 подшипника 13. Турбины 15 и 16 имеют присоединенные к корпусу 23 входной патрубок 51, выполненный со стороны центробежного насоса 1, и выхлопной патрубок 52, выполненный с противоположной стороны. Ко второй турбине 16 подведены канал 53, выполненный в диафрагме 49, и трубки 54, соединяющие полость 25 с полостью выхлопного патрубка 52.Inside the outer shaft 3 between the centrifugal pump 1 and the two turbines 2, a rear cavity 45 is made, sealed on both sides by internal seals 46. A bearing 13 is installed in this cavity (Fig. 1). Between the centrifugal pump 1 and two turbines 15 and 16, an external seal 47 is installed that separates the bearing 9 from the turbine 2. Radial holes 48 are made in the inner shaft 11 and connect the cavities 45 and 37 to lubricate the bearings 7 and 13. The inclined holes 49 are made in the outer the shaft 3. Bearing 9 is installed in the housing 49 of the bearing 13. The turbines 15 and 16 have an inlet pipe 51 connected to the housing 23, made on the side of the centrifugal pump 1, and an exhaust pipe 52, made on the opposite side. A channel 53 made in the diaphragm 49 and tubes 54 connecting the cavity 25 with the cavity of the exhaust pipe 52 are connected to the second turbine 16.

При запуске турбонасосного агрегата газ подается через входной патрубок 51 внутрь турбин 15 и 16 и проходит через сопловой аппарат 21, рабочие лопатки 19. Незначительная часть общего расхода газа (100%…15%) поступает по каналу 53 в сопловой аппарат 22 и рабочие лопатки 20 второй турбины 16, раскручиваются внешний вал 3 с центробежным рабочим колесом 4 и внутренний вал 11 со шнеком 14. При этом внутренний вал 11 вращается в 3…4 раза с меньшей скоростью, чем внешний вал 3. Валы 3 и 11 вращаются в одну сторону, но с различными угловыми скоростями. Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т.е. в полости 29, повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 31 поступает в разгрузочную полость 32, проходит через подшипник 7, наклонные отверстия 49, радиальные отверстия 48 в полость 37 и через радиальные отверстия 36 поступает во внутреннюю полость 33 и далее в отверстия 35 и возвращается в полость 8 центробежного рабочего колеса 4.When starting the turbopump unit, gas is supplied through the inlet 51 to the turbines 15 and 16 and passes through the nozzle apparatus 21, the working blades 19. An insignificant part of the total gas flow (100% ... 15%) enters the nozzle apparatus 22 and the working blades 20 through the channel 53 the second turbine 16, the outer shaft 3 with a centrifugal impeller 4 and the inner shaft 11 with the screw 14 are untwisted. The inner shaft 11 rotates 3 ... 4 times at a lower speed than the outer shaft 3. The shafts 3 and 11 rotate in one direction, but with different angular velocities. Inside the centrifugal impeller 4 and at the exit from it, i.e. in the cavity 29, the pressure of the pumped product increases and part of it (5% ... 7%) through the rear seal 31 enters the discharge cavity 32, passes through the bearing 7, the inclined holes 49, the radial holes 48 into the cavity 37 and through the radial holes 36 enter the inner cavity 33 and further into the holes 35 and returns to the cavity 8 of the centrifugal impeller 4.

Так как шнек 14 вращается с угловой скоростью, в 2…3 раза меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4, тем самым предотвращается кавитация на ее входе. Из-за пониженных оборотов самого шнека 14 кавитация на их входных кромках также исключается. Шнек 14 повышает давление в полости между шнеком 14 и центробежным рабочим колесом 4, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращения кавитации на входе в шнек 14. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на вход в шнек 14 и на вход в центробежное рабочее колесо 4 отсутствует, т.к перепуск организован внутрь центробежного рабочего колеса 4. При наличии центробежного регулятора расхода 38 при увеличении скорости вращения рабочего колеса уменьшается относительный расход перекачиваемого продукта (в % от общего расхода), используемого для смазки. Естественно, что абсолютный расход утечек перекачиваемого продукта, используемого для смазки, не уменьшается, а остается прежним или немного увеличивается. Это происходит за счет того, что центробежные силы, действующие на клапан 40, увеличиваются, клапан 40 сжимает пружину 42, зазор между клапаном 40 и седлом 39 уменьшается. Это позволит повысить КПД центробежного насоса 1 и одновременно улучшить его кавитационные свойства, т.к. ограничит перепуск подогретого перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4 и препятствует уменьшению его объемного КПД..Since the screw 14 rotates with an angular speed 2 ... 3 times less than the centrifugal impeller 4, this prevents cavitation at its inlet. Due to the reduced revolutions of the screw 14 itself, cavitation at their inlet edges is also excluded. The screw 14 increases the pressure in the cavity between the screw 14 and the centrifugal impeller 4, creating favorable conditions from the point of view of preventing cavitation at the entrance to the screw 14. There is no bypass of the heated pumped product at the entrance to the screw 14 and at the entrance to the centrifugal impeller 4, t. the bypass is arranged inside the centrifugal impeller 4. In the presence of a centrifugal flow controller 38, with an increase in the speed of rotation of the impeller, the relative flow rate of the pumped product decreases (in% of the total flow rate), using emogo for lubrication. Naturally, the absolute leakage rate of the pumped product used for lubrication does not decrease, but remains the same or increases slightly. This is due to the fact that the centrifugal forces acting on the valve 40 increase, the valve 40 compresses the spring 42, and the clearance between the valve 40 and the seat 39 decreases. This will increase the efficiency of the centrifugal pump 1 and at the same time improve its cavitation properties, because limit the bypass of the heated pumped product into the centrifugal impeller 4 and prevents the reduction of its volumetric efficiency ..

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1) значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека;1) significantly improve the cavitation properties of the pump through the use of two screws, reducing the speed of rotation of the screw;

2) обеспечить разгрузку осевых сил внутреннего и внешнего валов;2) to provide unloading of axial forces of internal and external shafts;

3) спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых по прочности;3) to design a pump of very high power by increasing the speed of the centrifugal impeller of the pump to the maximum permissible strength;

4) предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе;4) to prevent a stall of the flow of the pumped component in the pump due to cavitation at its inlet;

5) создать турбонасосный агрегат с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности.5) create a turbopump unit with a minimum weight and dimensions with high pressure and performance.

Claims

1. A turbopump assembly comprising housings, a centrifugal pump, comprising, in turn, a centrifugal impeller with a hub mounted on an external shaft, which is mounted in a bearing protected by a seal, and an auger, two turbines, which in turn contain two nozzle apparatus and two impellers, a housing, inlet and exhaust pipes, characterized in that the inner shaft is mounted on the bearings inside the shaft, the turbine impellers are installed on the external and internal shafts, respectively, and the screw is mounted on the external shaft, etc. and the impeller of the second turbine is made of a smaller diameter than the impeller of the first turbine, and is installed in the rear cavity made inside the turbine casing in its central part, the gas supply channel to the second turbine is made in the diaphragm, and the gas exhaust channel is in the form of one or several tubes connecting the rear cavity to the exhaust pipe of the turbine.

2. The turbopump assembly according to claim 1, characterized in that the inside of the hub has an internal cavity and through holes connecting the internal cavity of the hub with the cavity inside the centrifugal impeller.

3. The turbopump assembly according to claim 2, characterized in that centrifugal flow controllers are installed inside the through holes.