RU2572468C2 - Sealing of shaft of turbine pump unit (versions) - Google Patents
Sealing of shaft of turbine pump unit (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2572468C2 RU2572468C2 RU2014118156/06A RU2014118156A RU2572468C2 RU 2572468 C2 RU2572468 C2 RU 2572468C2 RU 2014118156/06 A RU2014118156/06 A RU 2014118156/06A RU 2014118156 A RU2014118156 A RU 2014118156A RU 2572468 C2 RU2572468 C2 RU 2572468C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- impeller
- turbine
- pump
- seal
- shaft
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к высокооборотным высоконапорным центробежным насосам, и может быть использовано в области ракетостроения, в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).The present invention relates to the field of turbomachinery, namely to high-speed high-pressure centrifugal pumps, and can be used in the field of rocket science, in turbopump units (TNA) of liquid-propellant rocket engines (LRE).
На работоспособность и параметры турбонасосного агрегата существенное влияние оказывает работа разделительного уплотнения между насосом и турбиной. Неправильная работа разделительного уплотнения может привести либо к прорыву газа из полости турбины в полость насоса, либо к повышенной утечке жидкости из насоса в турбину и ухудшению характеристик как насоса, так и турбины. Прорыв газа высокого давления из полости турбины в полость насоса приводит к повреждению и потере работоспособного состояния подшипников из-за их недостаточного охлаждения, а попадание газа в проточную часть насоса приводит к его кавитационному срыву. Это служит причиной аварийного прекращения работы жидкостного ракетного двигателя. Утечка из насоса в турбину приводит к существенному снижению экономичности агрегата из-за уменьшения полезного расхода газа через сопловой аппарат, искажения потока и балластировки газа после соплового аппарата утечкой холодной жидкости. Кроме того, утечка криогенной жидкости в турбину может вызвать большие градиенты температуры в диске рабочего колеса турбины, высокие термические напряжения и явиться причиной появления трещин в диске с его последующим разрушением. Следует отметить, что в практике турбостроения часто в полости разделительного уплотнения устанавливается подшипник турбинной опоры, работоспособность которого зависит от работы разделительного уплотнения.The performance and parameters of the turbopump unit is significantly affected by the operation of the separation seal between the pump and the turbine. Incorrect operation of the separation seal can lead either to a breakthrough of gas from the turbine cavity to the pump cavity, or to increased leakage of liquid from the pump to the turbine and deterioration of the characteristics of both the pump and the turbine. Breakthrough of high-pressure gas from the turbine cavity into the pump cavity leads to damage and loss of the operable state of the bearings due to their insufficient cooling, and the ingress of gas into the flow part of the pump leads to cavitation failure. This is the cause of the emergency shutdown of the liquid rocket engine. Leakage from the pump to the turbine leads to a significant decrease in the efficiency of the unit due to a decrease in the useful gas flow through the nozzle apparatus, distortion of the gas flow and ballasting after the nozzle apparatus by leakage of cold liquid. In addition, leakage of cryogenic liquid into the turbine can cause large temperature gradients in the disk of the turbine impeller, high thermal stresses and cause cracks in the disk with its subsequent destruction. It should be noted that in the practice of turbine engineering, a bearing of a turbine support is often installed in the cavity of the separation seal, the operability of which depends on the operation of the separation seal.
В общем случае разделительное уплотнение между насосом и турбиной должно удовлетворять следующим требованиям:In general, the separation seal between the pump and the turbine must satisfy the following requirements:
- не допускать утечек газа из турбины в насос;- prevent gas leaks from the turbine into the pump;
- обеспечить минимальную, стабильную величину утечки из насоса в турбину;- provide a minimum, stable amount of leakage from the pump to the turbine;
- обеспечить работоспособность турбонасосного агрегата на всех режимах работы двигателя, в том числе и при появлении допустимого износа элементов конструкции агрегата.- to ensure the operability of the turbopump unit at all engine operating modes, including when the allowable wear of the unit structural elements appears.
В ряде случаев к разделительному уплотнению предъявляется дополнительное требование по минимизации утечки из насоса в турбину при невращающемся роторе. В первую очередь требование предъявляется к ТНА двигателей, работающих на криогенных компонентах топлива, так как утечки при запуске двигателя могут привести к возникновению аварийных ситуаций.In some cases, an additional requirement is imposed on the separation seal to minimize leakage from the pump to the turbine when the rotor is not rotating. First of all, the requirement is for the TNA of engines running on cryogenic fuel components, since leaks at engine start can lead to emergency situations.
Таким образом, система разделения полостей насоса и турбины ТНА заслуживает особого внимания при разработке и эксплуатации ЖРД. Основной задачей такого уплотнения является исключение возможности попадания газа из турбины в насос при минимальном снижении экономичности ТНА.Thus, the separation system of the cavities of the pump and turbine ТНА deserves special attention during the development and operation of the liquid propellant rocket engine. The main objective of such a seal is to eliminate the possibility of gas entering the turbine into the pump with a minimum reduction in the efficiency of the heat pump.
В ТНА ЖРД, работающих на высококипящих компонентах топлива в разделительных уплотнениях, широко применяется импеллерное уплотнение. Это уплотнение позволяет практически полностью исключить утечку жидкости в полость турбины, что особенно важно для малоразмерных ТНА, где даже небольшая утечка при работе приводит к существенному снижению экономичности. В импеллерном уплотнении утечка в полость турбины определяется только испарением жидкости с границы раздела жидкости газа в импеллере. При этом такая утечка практически не оказывает влияния на характеристики турбины. In TNA liquid propellant rocket engines operating on high-boiling fuel components in separation seals, impeller seals are widely used. This seal makes it possible to almost completely eliminate fluid leakage into the turbine cavity, which is especially important for small-sized ТНА, where even a small leakage during operation leads to a significant decrease in efficiency. In an impeller seal, a leak into a turbine cavity is determined only by the evaporation of the liquid from the gas-liquid interface in the impeller. Moreover, such a leak practically does not affect the characteristics of the turbine.
Известно уплотнение вала турбонасосного агрегата, содержащее импеллер, расположенный между насосом и турбиной, установленный на валу (Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей / Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др.; Под общ. ред. Г.Г. Гахуна. - М.: Машиностроение, 1989. - 424 с., рис. 10.19 (с. 220) - прототип).Known shaft seal of a turbopump assembly containing an impeller located between the pump and the turbine mounted on the shaft (Design and engineering of liquid rocket engines / G.G. Gakhun, V.I. Baulin, V.A. Volodin, etc.; Under the general. Edited by G.G. Gakhun. - M .: Mechanical Engineering, 1989. - 424 p., Fig. 10.19 (p. 220) - prototype).
Такое уплотнение вала турбонасосного агрегата применительно к жидкостному ракетному двигателю обладает следующими недостатками.Such a shaft seal of a turbopump assembly as applied to a liquid propellant rocket engine has the following disadvantages.
Использование импеллерного (гидродинамического радиального) уплотнения при разделении полостей турбины и насоса, перекачивающего криогенную жидкость, приводит к ее разогреву и вскипанию в уплотнении, что служит причиной попадания газа из полости турбины в полость насоса. Кроме того, при необходимости захолаживания утечки жидкости из насоса в турбину будут иметь значительную величину.The use of an impeller (hydrodynamic radial) seal when separating the cavities of the turbine and the pump pumping cryogenic liquid leads to its heating and boiling in the seal, which causes gas to enter from the turbine cavity into the pump cavity. In addition, if it is necessary to cool down the leakage of liquid from the pump into the turbine will have a significant value.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вскипания жидкости в уплотнении, минимизация утечек из полости насоса в полость турбины при захолаживании.The objective of the invention is to eliminate the boiling of liquid in the seal, minimizing leaks from the pump cavity into the turbine cavity during cooling.
В предлагаемом изобретении технический эффект достигается тем, что в уплотнении вала турбонасосного агрегата, содержащем импеллер с отверстиями, соединяющими гладкую и лопаточную стороны, расположенный между насосом и турбиной, установленный на валу, согласно изобретению:In the present invention, the technical effect is achieved by the fact that in the shaft seal of the turbopump assembly containing an impeller with holes connecting the smooth and scapular sides located between the pump and the turbine mounted on the shaft according to the invention:
- отверстия, соединяющие гладкую и лопаточную стороны импеллера, смещены от оси симметрии межлопаточного канала по направлению вращения ротора;- the holes connecting the smooth and scapular sides of the impeller are offset from the axis of symmetry of the interscapular channel in the direction of rotation of the rotor;
- в корпусе насоса между гладкой стороной импеллера и насосом выполнены ребра;- ribs are made in the pump housing between the smooth side of the impeller and the pump;
- между лопаточной стороной импеллера и турбиной выполнено дополнительное уплотнение;- between the blade side of the impeller and the turbine an additional seal is made;
- в корпусе турбины между турбиной и лопаточной стороной импеллера выполнены перепускные отверстия с выходом к лопаточной стороне импеллера;- in the turbine housing between the turbine and the impeller side of the impeller, bypass openings are made with access to the impeller side of the impeller;
- в корпусе насоса между гладкой стороной импеллера и насосом выполнены ребра.- ribs are made in the pump housing between the smooth side of the impeller and the pump.
Предлагаемое уплотнение вала турбонасосного агрегата представлено на фиг. 1, на фиг. 2, 3, 4, 5 - варианты уплотнения вала турбонасосного агрегата, где:The proposed shaft seal of a turbopump assembly is shown in FIG. 1, in FIG. 2, 3, 4, 5 - options for sealing the shaft of a turbopump assembly, where:
1 - импеллер;1 - impeller;
2 - насос;2 - pump;
3 - турбина;3 - turbine;
4 - вал;4 - shaft;
5 - гладкая (тыльная) сторона импеллера;5 - smooth (back) side of the impeller;
6 - лопаточная сторона импеллера;6 - blade side of the impeller;
7 - отверстия;7 - holes;
8 - перепускной канал;8 - bypass channel;
9 - лопатка;9 - scapula;
10 - межлопаточный канал;10 - interscapular canal;
11 - граница раздела фаз;11 - phase boundary;
12 - жидкость;12 - liquid;
13 - газ;13 - gas;
14 - уплотнение;14 - consolidation;
15 - ребра;15 - ribs;
16 - перепускные отверстия;16 - bypass holes;
17 - каналы;17 - channels;
18 - крыльчатка;18 - impeller;
19 - отводящий патрубок насоса;19 - outlet pipe of the pump;
20 - подводящая трубка.20 - inlet tube.
Уплотнение вала турбонасосного агрегата (фиг. 1) содержит импеллер 1, расположенный между насосом 2 и турбиной 3, установленный на валу 4. В диске импеллера выполнены отверстия 7, соединяющие его гладкую и лопаточную стороны. Отверстия 7 смещены в сторону вращения вала относительно оси симметрии межлопаточного канала 10. Между лопаточной стороной 6 импеллера и турбиной 3 может быть выполнено дополнительное уплотнение 14 (фиг. 2). Между гладкой стороной 5 импеллера и насосом 2 могут быть выполнены радиальные ребра 15 (фиг. 3). Для снижения утечек жидкости через импеллер перепускные отверстия 16, соединенные каналами 17 с выходом крыльчатки 18, выполнены в корпусе турбины с лопаточной стороны 6 импеллера (фиг. 4). Как вариант, при высоком давлении в турбине 3 перепускные отверстия 16 соединяют с отводящим патрубком 19 насоса 2, например, с помощью подводящей трубки 20 (фиг. 5).The shaft seal of the turbopump assembly (Fig. 1) contains an impeller 1, located between the pump 2 and the turbine 3, mounted on the shaft 4. In the impeller disk, holes 7 are made connecting its smooth and blade sides. The holes 7 are shifted in the direction of rotation of the shaft relative to the axis of symmetry of the interscapular channel 10. Between the blade side 6 of the impeller and the turbine 3 can be made additional seal 14 (Fig. 2). Between the smooth side 5 of the impeller and the pump 2 can be made radial ribs 15 (Fig. 3). To reduce fluid leakage through the impeller, the bypass holes 16 connected by
При работе турбонасосного агрегата турбина 3 приводит во вращение насос, при этом рабочие колеса насоса и турбины, импеллер 1 вращаются с одинаковой угловой скоростью, так как установлены на одном валу 4, опирающемся на подшипники. Жидкость из насоса через перепускные каналы 8 поступает к импеллеру 1, причем она может подводиться с выхода крыльчатки или с выхода корпуса отвода насоса. За счет вращения импеллера на его лопаточной стороне 6, обращенной к турбине 3, образуется зеркало - граница раздела фаз 11 жидкости 12 и газа 13. Поступление жидкости через отверстия 7, соединяющие гладкую (тыльную) 5 и лопаточную 6 стороны импеллера 1, обеспечивает ее циркуляцию и исключает вскипание жидкости в полости импеллера. Расстояние от оси вращения импеллера до оси отверстий 7 должно быть меньше расстояния от оси вращения импеллера до расположения границы раздела фаз 11 - зеркала. During operation of the turbopump unit, the turbine 3 drives the pump, while the impellers of the pump and turbine, the impeller 1 rotate at the same angular speed, since they are mounted on the same shaft 4, which is supported by bearings. The liquid from the pump through the bypass channels 8 enters the impeller 1, and it can be supplied from the output of the impeller or from the output of the pump outlet housing. Due to the rotation of the impeller on its blade side 6, facing the turbine 3, a mirror is formed - the phase boundary 11 of the liquid 12 and gas 13. The flow of fluid through the holes 7 connecting the smooth (back) 5 and blade 6 of the side of the impeller 1, ensures its circulation and eliminates the boiling of fluid in the cavity of the impeller. The distance from the axis of rotation of the impeller to the axis of the holes 7 should be less than the distance from the axis of rotation of the impeller to the location of the phase boundary 11 - the mirror.
Угловое расположение отверстий 7 для обеспечения равномерного подвода жидкости в межлопаточный канал 10 смещено в сторону вращения ротора. При этом обеспечивается надежное разделение насоса 2 и турбины 3 с минимальной утечкой в полость турбины, вызванной только испарением с границы раздела фаз в межлопаточных каналах 10 импеллера 1. В зависимости от перепада давления формирование зеркала может происходить ниже лопаток импеллера, что может привести к большим утечкам. Чтобы избежать этого на корпусе между насосом 2 и гладкой стороной 5 импеллера выполняют радиальные ребра 15, обеспечивая при этом выравнивание и дополнительное падение давления. The angular arrangement of the holes 7 to ensure uniform supply of fluid into the interscapular channel 10 is shifted in the direction of rotation of the rotor. This ensures reliable separation of the pump 2 and turbine 3 with minimal leakage into the turbine cavity, caused only by evaporation from the phase boundary in the interscapular channels 10 of the impeller 1. Depending on the pressure drop, mirror formation can occur below the impeller blades, which can lead to large leaks . To avoid this,
Для минимизации утечки жидкости из насоса в турбину в процессе захолаживания агрегата между лопаточной стороной импеллера 6 и турбиной 3 выполнено дополнительное уплотнение 14, которое может быть бесконтактным, контактным или открывающимся при достижении определенного давления. При выполнении перепускных отверстий 16 в корпусе с лопаточной стороны импеллера 6 рабочая жидкость под давлением поступает в перепускные отверстия 16 через каналы 17, выполненные в корпусе. Жидкость через каналы 17 поступает с выхода крыльчатки 18 насоса 2. При давлении в турбине 3, превышающем или близком к давлению на выходе крыльчатки 18, жидкость через каналы 17 к перепускным отверстиям 16 поступает с выхода насоса 2 из отводящего патрубка 19, например, с помощью подводящей трубки 20, обеспечивающей поступление жидкости из отводящего патрубка насоса 19 в каналы 17. При вращении вала 4 лопатки 9 и межлопаточные каналы 10 импеллера 1 последовательно сообщаются с этими перепускными отверстиями 16. При совмещении отверстия 16 и межлопаточного канала 10 происходит впрыск жидкости в полость межлопаточного канала 10 импеллера. Такие впрыски обеспечивают снижение температуры в межлопаточном канале 10 импеллера, что исключает вскипание рабочей жидкости в нем.To minimize the leakage of liquid from the pump to the turbine during the cooling process of the unit between the blade side of the impeller 6 and the turbine 3, an
Аналогичное импеллерное уплотнение может быть применено для разделения насоса и окружающей среды.A similar impeller seal can be used to separate the pump and the environment.
Таким образом, в турбонасосном агрегате обеспечивается надежное разделение полостей насоса и турбины на всех режимах работы при высокой экономичности агрегата, в том числе при захолаживании насоса, что обеспечивает надежную работу ТНА в составе жидкостного ракетного двигателя.Thus, in the turbopump unit, reliable separation of the pump and turbine cavities is ensured in all operating modes with high efficiency of the unit, including when the pump is cold, which ensures reliable operation of the ТНА as part of a liquid propellant rocket engine.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014118156/06A RU2572468C2 (en) | 2014-05-05 | 2014-05-05 | Sealing of shaft of turbine pump unit (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014118156/06A RU2572468C2 (en) | 2014-05-05 | 2014-05-05 | Sealing of shaft of turbine pump unit (versions) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014118156A RU2014118156A (en) | 2015-12-10 |
RU2572468C2 true RU2572468C2 (en) | 2016-01-10 |
Family
ID=54842981
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014118156/06A RU2572468C2 (en) | 2014-05-05 | 2014-05-05 | Sealing of shaft of turbine pump unit (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2572468C2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2052699C1 (en) * | 1992-10-26 | 1996-01-20 | Научно-производственное объединение энергетического машиностроения им.акад.В.П.Глушко | Contactless sealing device |
RU2097603C1 (en) * | 1995-07-06 | 1997-11-27 | Акционерное общество Производственное предприятие "ПОЛИКС" | Centrifugal pump |
RU2134821C1 (en) * | 1997-08-13 | 1999-08-20 | Конструкторское бюро химавтоматики | Booster pumping unit |
RU2227235C1 (en) * | 2003-01-13 | 2004-04-20 | Орловский государственный технический университет | Impeller seal |
-
2014
- 2014-05-05 RU RU2014118156/06A patent/RU2572468C2/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2052699C1 (en) * | 1992-10-26 | 1996-01-20 | Научно-производственное объединение энергетического машиностроения им.акад.В.П.Глушко | Contactless sealing device |
RU2097603C1 (en) * | 1995-07-06 | 1997-11-27 | Акционерное общество Производственное предприятие "ПОЛИКС" | Centrifugal pump |
RU2134821C1 (en) * | 1997-08-13 | 1999-08-20 | Конструкторское бюро химавтоматики | Booster pumping unit |
RU2227235C1 (en) * | 2003-01-13 | 2004-04-20 | Орловский государственный технический университет | Impeller seal |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014118156A (en) | 2015-12-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9435347B2 (en) | Turbopump, in particular for feeding rocket engines | |
US3468548A (en) | Rotating shaft seal | |
US8397506B1 (en) | Turbo-alternator-compressor design for supercritical high density working fluids | |
US3575523A (en) | Labyrinth seal for axial flow fluid machines | |
CN106014509A (en) | Turbine generator set adopting supercritical carbon dioxide as working medium | |
US20090160135A1 (en) | Labyrinth seal with reduced leakage flow by grooves and teeth synergistic action | |
US20160177963A1 (en) | Centrifugal pump, in particular for supplying power to rocket engines | |
EP2067999A1 (en) | Liquid cooled turbocharger impeller and method for cooling an impeller | |
EP3141759B1 (en) | Turbo pump | |
EP3058182B1 (en) | Sealing clearance control in turbomachines | |
US3093084A (en) | Pump | |
US8864441B1 (en) | Rocket engine turbopump | |
JP2016075184A (en) | Centrifugal compressor | |
JP2004169695A (en) | Axial thrust balance system for centrifugal compressor with improved safety characteristics | |
JP7029440B2 (en) | Multi-stage pump | |
RU2730566C1 (en) | Lpre booster turbopump unit (embodiments) | |
RU2572468C2 (en) | Sealing of shaft of turbine pump unit (versions) | |
RU2299344C1 (en) | Device for separation of the pump and the turbine of the booster turbo-pump aggregate of the liquid propellant rocket engine | |
JP5656164B2 (en) | Turbo pump | |
RU2526996C1 (en) | Solid-propellant rocket engine turbopump unit | |
RU2533595C1 (en) | Turbopump unit | |
RU94644U1 (en) | MULTI-STAGE PUMP | |
US20200355194A1 (en) | Seal assembly for compressor | |
JP2006183465A (en) | Centrifugal compressor | |
RU2134821C1 (en) | Booster pumping unit |