RU2614911C1

RU2614911C1 - Turbopump unit

Info

Publication number: RU2614911C1
Application number: RU2016102626A
Authority: RU
Inventors: Михаил Иванович Позняк; Анатолий Иванович Каширин
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-03-30

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention can be used in turbopump units of liquid-propellant rocket engines incorporated with multiple-shot rockets. TNA comprises an inlet (1) of reduced pressure, the housing (2) placed therein by a centrifugal pump shaft (3) and the turbine (4) and bearing support (5), the braking device. The braking device is designed as oppositely placed on the housing (2) of the piston chamber (6) in which the rods (9) of the pistons (10) in contact with the turbine disc (4). Pre-piston cavity (7) chamber (6) is communicated with the pump outlet (2) first conduit (11) and through the second conduit (12) and the orifice (13) communicated with the inlet pipe (1), providing a retraction of the stem (9) of the piston (10) from contact with the turbine disc (4) while the TNA. In after-piston cavities (8), chambers (6) are arranged return springs (14).

EFFECT: health preservation bearing turbopump unit under vacuum with repeated exposure to the inclusion LRE, which is achieved by reducing the heating of bearings by reducing run-rotor from operating speed to its full stop.

1 dwg

Description

Изобретение относится к турбонасосостроению и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) ЖРД верхних ступеней ракет многоразового включения (разгонных блоков).The invention relates to turbopump construction and can be used in turbopump units (TNA) LRE of the upper stages of reusable rockets (booster blocks).

Известны турбонасосные агрегаты одноразового включения (см. книгу «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей» под общей редакцией профессора Г.Г. Гахуна, М.: Машиностроение, 1989 г., стр. 204, рис. 107 - ТНА ЖРД РД-119, патенты РФ №2232300, №2459118).Known turbo-pump single-use units (see the book "Design and Design of Liquid Rocket Engines" under the general editorship of Professor GG Gakhun, M .: Mechanical Engineering, 1989, p. 204, Fig. 107 - TNA LPRE RD-119, RF patents No. 2232300, No. 2459118).

Конструктивной особенностью этих ТНА является разовое включение, т.е. после останова двигателя повторные запуски не предусмотрены.The design feature of these TNAs is a one-time inclusion, i.e. after the engine is stopped, there are no further starts.

Известен также ТНА по патенту РФ №2175407, в котором охлаждение подшипника организовано рабочей жидкостью из полости (камеры) повышенного давления, связанной трубопроводом с выходом из насоса и каналами через полость подшипника со входом в колесо насоса. Такая конструкция ТНА также не обеспечивает надежного повторного включения ТНА в работу. Это связано с тем, что двигатели верхних ступеней ракет запускаются в космосе (среда-вакуум) многократно. После каждой остановки двигателя внутренние полости ТНА опорожняются от компонентов топлива через дренажные магистрали. При этом турбина имеет температуру на периферии диска до ≈900°C, диск турбины и вал турбины имеют температуру до ≈ 400°C, корпус турбины и корпус насоса имеют температуру от ≈400°C до ≈650°C. Тепловой поток от горячих частей ТНА по металлу распространяется на все сборки и детали ТНА, в том числе и на подшипники турбины. В результате температурного воздействия на подшипниковую опору нарушаются посадочные размеры как самого подшипника, так и более горячего вала (натяг внутреннего кольца увеличивается) и корпуса (натяг по наружному кольцу уменьшается). При этом из-за высокой инерционности ротора ТНА (турбины и центробежного колеса) ротор продолжает вращаться в вакууме длительный промежуток времени (~50÷100 сек и более). Подшипник при этом продолжает вращаться «всухую» без охлаждения компонентом топлива, что приводит к разогреву и разрушению сепаратора подшипника. В подавляющем числе ТНА в качестве материала сепаратора применяется фторопласт, который малотермостойкий. Таким образом, для гарантированного обеспечения сохранения целостности и работоспособности сепаратора подшипника при последующих запусках двигателя необходимо обеспечить минимальное время вращения («выбега») ротора ТНА до прекращения вращения, т.е. минимизировать инерционную энергию, передаваемую подшипникам и вызывающую разогрев подшипника.TNA is also known according to RF patent No. 2175407, in which the cooling of the bearing is organized by the working fluid from the cavity (chamber) of high pressure, connected by a pipe to the pump outlet and channels through the bearing cavity with the entrance to the pump wheel. This design TNA also does not provide reliable re-inclusion of TNA in the work. This is due to the fact that the engines of the upper stages of rockets are launched in space (medium-vacuum) repeatedly. After each engine stop, the internal cavities of the TNA are emptied from the fuel components through the drain lines. In this case, the turbine has a temperature at the disk periphery of up to ≈900 ° C, the turbine disk and turbine shaft have a temperature of up to ≈ 400 ° C, the turbine casing and pump casing have a temperature from ≈400 ° C to ≈650 ° C. The heat flow from the hot parts of the TNA to the metal extends to all assemblies and parts of the TNA, including the turbine bearings. As a result of the temperature effect on the bearing support, the seating dimensions of both the bearing itself and the hotter shaft (the tightness of the inner ring increases) and the housing (the tightness along the outer ring decreases) are violated. Moreover, due to the high inertia of the TNA rotor (turbine and centrifugal wheel), the rotor continues to rotate in vacuum for a long period of time (~ 50 ÷ 100 sec and more). In this case, the bearing continues to rotate “dry” without cooling by the fuel component, which leads to heating and destruction of the bearing cage. In the vast majority of TNAs, fluoroplastic, which is low heat resistant, is used as the material of the separator. Thus, to ensure that the integrity of the bearing cage is maintained during subsequent engine starts, it is necessary to ensure the minimum rotation time (“run-out”) of the TNA rotor until the rotation stops, i.e. minimize the inertial energy transmitted to the bearings and causing the bearing to heat up.

Известен также насосный агрегат по патенту РФ №2244165, взятый за прототип изобретения, в котором тормозное устройство выполнено в виде храпового соединения (см. Фиг. 2 и Фиг. 3 патента РФ 2244165). Основными элементами являются стопорный элемент (см. прототип, Фиг. 3) и храповое колесо с зубьями. В стопорном элементе 7 центр массы смещен относительно оси вращения 13 (см. прототип, Фиг. 3), что позволяет при вращении вала выходить из зацепления стопорного элемента под воздействием центробежной силы и не препятствовать вращению вала насоса. При уменьшении числа оборотов ротора насоса стопорный элемент 7 под воздействием пружины 14 (см. прототип, Фиг. 3) входит в зацепление с храповым колесом и обеспечивает быстрый останов ротора насоса. Такая конструкция тормозного устройства неприменима для использования в ТНА. Это объясняется тем, что обороты электромоторов имеют величину порядка нескольких тысяч оборотов в минуту, а обороты ротора ТНА имеют величину порядка 50000÷100000 об/мин и при вхождении в зацепление будет реализована ударная работа стопорного механизма, приводящая к разрушению элементов конструкции. Данная конструкция отличается чрезвычайной сложностью и при использовании в ТНА приведет к значительному снижению надежности и увеличению веса, что недопустимо.Also known pumping unit according to the patent of the Russian Federation No. 224165, taken as a prototype of the invention, in which the braking device is made in the form of a ratchet connection (see Fig. 2 and Fig. 3 of the patent of the Russian Federation 2244165). The main elements are the locking element (see prototype, Fig. 3) and a ratchet wheel with teeth. In the locking element 7, the center of mass is displaced relative to the axis of rotation 13 (see prototype, Fig. 3), which allows the rotation of the shaft to disengage the locking element under the influence of centrifugal force and not impede the rotation of the pump shaft. When reducing the number of revolutions of the pump rotor, the locking element 7 under the influence of the spring 14 (see prototype, Fig. 3) engages with a ratchet wheel and provides a quick stop of the pump rotor. This design of the brake device is not applicable for use in TNA. This is explained by the fact that the rotations of electric motors have a value of the order of several thousand revolutions per minute, and the revolutions of the TNA rotor have a value of the order of 50,000 ÷ 100,000 rpm and when it engages, the impact work of the locking mechanism will be realized, leading to the destruction of structural elements. This design is extremely complex and when used in TNA will lead to a significant decrease in reliability and weight gain, which is unacceptable.

Изобретение решает задачу работоспособности подшипников ТНА в условиях воздействия вакуума при многократном включении.The invention solves the problem of the operability of TNA bearings under vacuum under repeated activation.

Для этого в турбонасосном агрегате, включающем входной патрубок, корпус с размещенными в нем на валу центробежным насосом и турбиной, подшипниковой опорой и тормозным устройством, последнее выполнено в виде оппозитно размещенных на корпусе поршневых камер, в которых штоки поршней контактируют с диском турбины, при этом предпоршневые полости поршневых камер сообщены первым трубопроводом с выходом из центробежного насоса (область высокого давления), вторым трубопроводом - через жиклер с входным патрубком (область пониженного давления), а в запоршневых полостях поршневых камер размещены возвратные пружины. При таком исполнении тормозного устройства исключается ударная работа устройства и быстрое прекращение вращения ротора ТНА, тем самым практически исключая работу подшипников «всухую» и сохраняя целостность фторопластового сепаратора подшипника.For this, in a turbopump assembly including an inlet pipe, a housing with a centrifugal pump and a turbine placed on it on the shaft, a bearing support and a brake device, the latter is made in the form of opposed piston chambers placed on the housing, in which the piston rods are in contact with the turbine disk, while the pre-piston cavities of the piston chambers are communicated by the first pipeline exit from the centrifugal pump (high pressure region), the second pipeline through the nozzle with an inlet pipe (low pressure region), and in the piston cavities of the piston chambers return springs are placed. With this design of the brake device, the shock operation of the device and the rapid termination of the rotation of the TNA rotor are eliminated, thereby virtually eliminating the dry running of the bearings and preserving the integrity of the fluoroplastic bearing cage.

Изобретение поясняется чертежом, где представлен турбонасосный агрегат с тормозным устройством.The invention is illustrated in the drawing, which shows a turbopump unit with a brake device.

Турбонасосный агрегат включает входной патрубок 1 пониженного давления, корпус 2, центробежный насос 3, турбину 4, подшипниковую опору 5, тормозное устройство - поршневые камеры 6, предпоршневую полость 7, запоршневую полость 8, шток 9, поршень 10, первый трубопровод 11, второй трубопровод 12, жиклер 13 и возвратную пружину 14.The turbopump assembly includes an inlet pipe 1 of a reduced pressure, a housing 2, a centrifugal pump 3, a turbine 4, a bearing support 5, a brake device — piston chambers 6, a piston cavity 7, a piston cavity 8, a rod 9, a piston 10, a first pipe 11, a second pipe 12, the nozzle 13 and the return spring 14.

Перед запуском двигателя разгонного блока верхней ступени ракеты в полостях насосов ТНА отсутствует давление (вакуум) и возвратная пружина 14 обеспечивает контакт штока 9 поршня 10 с диском турбины 4.Before starting the engine of the upper stage booster block of the rocket in the cavities of the TNA pumps there is no pressure (vacuum) and the return spring 14 makes contact of the rod 9 of the piston 10 with the turbine disk 4.

Во время запуска двигателя в полость центробежного насоса подается компонент под баковым давлением, при этом компонент по трубопроводам 11 и 12 попадает в предпоршневую полость 7 и, действуя на поршень 10 баковым давлением, выводит шток 9 поршня 10 из контакта с диском турбины 4. Через короткий промежуток времени (~0,3÷0,5 сек) поступает рабочее тело (газ) на турбину 4 и обороты ТНА за 1÷1,5 сек выходят на номинальный режим. При этом давление компонента за колесом центробежного насоса 3 возрастает до сотен атмосфер и отодвигает поршень 10 со штоком 9 до упора в тормозном устройстве, сжимая возвратную пружину 14. Далее компонент высокого давления по первому трубопроводу 11 и по тормозному устройству через второй трубопровод 12 и жиклер 13 сливается во входной патрубок 1. При этом расход компонента по этим магистралям охлаждает тормозное устройство и обеспечивает его работоспособность при повторных запусках ТНА двигателя.During engine start-up, a component under tank pressure is fed into the cavity of the centrifugal pump, while the component passes through the pipelines 11 and 12 into the pre-piston cavity 7 and, acting on the piston 10 with the tank pressure, brings the piston rod 9 out of contact with the turbine disk 4. After a short a period of time (~ 0.3 ÷ 0.5 sec), the working fluid (gas) enters the turbine 4 and the RPM revolutions reach the nominal mode for 1 ÷ 1.5 sec. The pressure of the component behind the wheel of the centrifugal pump 3 increases to hundreds of atmospheres and pushes the piston 10 with the rod 9 to the stop in the brake device, compressing the return spring 14. Next, the high-pressure component through the first pipe 11 and through the brake device through the second pipe 12 and nozzle 13 merges into the inlet pipe 1. At the same time, the flow rate of the component along these lines cools the brake device and ensures its operability during repeated starts of the engine TNA.

После падения давления за насосом 3 и в полостях 7 торможение ротора до полной остановки вращения осуществляется прижатием штоков 9 поршней 10 к диску турбины 4 за счет их поджатия возвратными пружинами 14, размещенными в запоршневых полостях 8 тормозных устройств.After the pressure drop behind the pump 3 and in the cavities 7, the rotor is braked to a complete stop of rotation by pressing the rods 9 of the pistons 10 against the turbine disk 4 due to their preload by return springs 14 located in the piston cavities 8 of the brake devices.

Использование изобретения позволит уменьшить время выбега ротора и минимизирует время работы подшипников «всухую», уменьшить нагрев подшипника и повысить надежность многократного включения (запуска) двигателя.The use of the invention will reduce the run-out time of the rotor and minimizes the running time of the bearings "dry", reduce the heating of the bearing and increase the reliability of repeated inclusion (start) of the engine.

Claims

A turbopump assembly including an inlet pipe, a housing with a centrifugal pump and a turbine located on it on the shaft, a bearing support and a brake device, characterized in that the brake device is made in the form of opposed piston chambers placed on the housing, in which the piston rods are in contact with the turbine disk, in this case, the pre-piston cavities of the piston chambers are communicated by the first pipeline with the exit from the centrifugal pump, the second pipeline through the nozzle with the inlet pipe, and in the piston chambers of the piston chambers azmescheny return springs.