RU2730566C1 - Lpre booster turbopump unit (embodiments) - Google Patents

Lpre booster turbopump unit (embodiments) Download PDF

Info

Publication number
RU2730566C1
RU2730566C1 RU2019113991A RU2019113991A RU2730566C1 RU 2730566 C1 RU2730566 C1 RU 2730566C1 RU 2019113991 A RU2019113991 A RU 2019113991A RU 2019113991 A RU2019113991 A RU 2019113991A RU 2730566 C1 RU2730566 C1 RU 2730566C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
turbine
pump
unloading
cavity
disk
Prior art date
Application number
RU2019113991A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Владимирович Иванов
Анатолий Иванович Дмитренко
Геннадий Иванович Скоморохов
Дмитрий Павлович Шматов
Николай Васильевич Мозговой
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority to RU2019113991A priority Critical patent/RU2730566C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730566C1 publication Critical patent/RU2730566C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44Feeding propellants
    • F02K9/46Feeding propellants using pumps
    • F02K9/48Feeding propellants using pumps driven by a gas turbine fed by propellant combustion gases or fed by vaporized propellants or other gases
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00Pumping installations or systems
    • F04D13/02Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/04Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid driven

Abstract

FIELD: rocket construction.
SUBSTANCE: invention relates to rocket engineering and can be used in liquid-propellant rocket engines (LPRE), primarily oxygen-methane and oxygen-hydrogen. Booster turbo-pump unit of LPRE comprising pump, turbine, turbine bearing, pump bearing, separation cavity between pump and turbine, limited on turbine side by shaft seal, turbine bearing is installed on the pump side behind the separator, according to the invention the separation cavity is located between the turbine bearing and the shaft seal, on the turbine side, in the separating cavity a discharge disc is installed, on outer diameter of which there is a seal, and separation cavity in peripheral part is connected by discharge channels with pump outlet.
EFFECT: invention ensures reduction of power losses for separation of pump and turbine, increase of power supply system efficiency, reduction of thermal deformations of impeller of the gas turbine, reduction of force acting on bearings from axial forces.
8 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), преимущественно кислородно-метановых и кислородно-водородных.The invention relates to the field of rocketry and can be used in liquid-propellant rocket engines (LRE), mainly oxygen-methane and oxygen-hydrogen.

В ЖРД широко применяются бустерные турбонасосные агрегаты (БТНА) с осевым насосом, приводом для которого служит гидравлическая или газовая турбина, рабочее колесо которой расположено на валу. Такие БТНА вследствие простоты конструкции обладают высокой надежностью. Одной из проблем создания БТНА является обеспечение разгрузки подшипников от действия осевых сил при сохранении максимальной экономичности и надежности агрегата. Особенно остро эти проблемы проявляются в БТНА жидкого метана и жидкого водорода кислородно-метановых и кислородно-водородных ЖРД, а также БТНА двигателей многократного применения независимо от применяемых компонентов топлива. При работе бустерного турбонасосного агрегата с осевым насосом на его осевое колесо действует осевое усилие, обусловленное создаваемым им перепадом давлений. Это осевое усилие действует в направлении от выхода к входу в насос. Чем выше перепад давления, создаваемый насосом, тем больше величина осевого усилия, действующего на осевое колесо насоса. Величина этого усилия может составлять несколько тысяч килоньютон. Так как в бустерных турбонасосных агрегатах, как правило, используются турбины с низким перепадом давления на колесе турбины, то осевое усилие, действующее на ротор со стороны турбины, невелико и не может уравновесить осевое усилие от осевого колеса насоса.In liquid-propellant rocket engines, booster turbopump units (BTNA) with an axial pump are widely used, the drive for which is a hydraulic or gas turbine, the impeller of which is located on the shaft. Due to their simple design, such BTNAs have high reliability. One of the problems of creating a BTNA is to ensure the unloading of bearings from the action of axial forces while maintaining the maximum efficiency and reliability of the unit. These problems are especially acute in the BTNA of liquid methane and liquid hydrogen of oxygen-methane and oxygen-hydrogen rocket engines, as well as BTNA of reusable engines, regardless of the fuel components used. When a booster turbopump unit with an axial pump is operating, an axial force acts on its axial wheel due to the pressure difference it creates. This axial force acts from the outlet to the inlet of the pump. The higher the pressure drop generated by the pump, the greater the amount of axial force acting on the axial impeller of the pump. The magnitude of this effort can be several thousand kilonewtons. Since in booster turbopump units, as a rule, turbines with a low pressure drop across the turbine wheel are used, the axial force acting on the rotor from the turbine side is small and cannot balance the axial force from the axial pump wheel.

Известно устройство разделения насоса и турбины водородного бустерного турбонасосного агрегата ЖРД (Космонавтика и ракетостроение, выпуск 16, ЦНИИмаш, 1999. Стр. 79. Рис. 6), содержащее разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны насоса уплотнением вала, а со стороны колеса турбины разгрузочным диском с его уплотнением. В разделительную полость подводится рабочая среда от внешнего источника. В разделительной полости между уплотнением вала и разгрузочным диском помещен подшипник турбины.Known is a device for separating the pump and turbine of a hydrogen booster turbopump unit of a liquid-propellant engine (Cosmonautics and rocketry, issue 16, TsNIIMash, 1999. Page 79. Fig. 6), containing a separation cavity between the pump and the turbine, limited from the pump side by a shaft seal, and from the side turbine wheels with a discharge disc with its seal. The working medium is supplied to the separating cavity from an external source. A turbine bearing is placed in the separation cavity between the shaft seal and the balance disc.

Недостатками указанного устройства являются:The disadvantages of this device are:

- для уравновешивания осевого усилия от осевого колеса насоса должен использоваться устанавливаемый в разделительной полости разгрузочный диск большого диаметра;- to balance the axial force from the axial impeller of the pump, a large-diameter unloading disc installed in the separation cavity must be used;

- диаметр уплотнения вала выполняется больше диаметра вала в месте посадки подшипника турбины, что также влечет за собой увеличение диаметра разгрузочного диска;- the diameter of the shaft seal is larger than the diameter of the shaft at the site of the turbine bearing, which also entails an increase in the diameter of the unloading disc;

- повышенный диаметр разгрузочного диска ведет к увеличению потерь мощности на трение, связанных с вращением диска;- the increased diameter of the unloading disc leads to an increase in friction power losses associated with the rotation of the disc;

- повышенные диаметры уплотнений вала и разгрузочного диска вызывают повышенные потери мощности, связанные с утечками рабочей среды из разделительной полости, утечки по величине могут быть сопоставимы с расходом рабочего газа через турбину;- the increased diameters of the shaft seals and the unloading disc cause increased power losses associated with leaks of the working medium from the separation cavity, the leaks in magnitude can be comparable to the flow rate of the working gas through the turbine;

- в разделительную полость между насосом и турбиной подводится водород высокого давления с выхода водородного насоса главного турбонасосного агрегата, этот водород находится в газовой фазе, из-за чего ухудшаются условия охлаждения подшипника турбины;- high-pressure hydrogen is supplied to the separation cavity between the pump and the turbine from the outlet of the hydrogen pump of the main turbopump unit, this hydrogen is in the gas phase, which deteriorates the cooling conditions for the turbine bearing;

- утечка жидкого компонента из разделительной полости в полость турбины БТНА снижает ее экономичность;- leakage of the liquid component from the separation cavity into the cavity of the BTNA turbine reduces its efficiency;

- наличие тракта внешнего подвода в разделительную полость и полость подшипника турбины БТНА усложняет конструкцию двигателя, так как требует включения в состав двигателя отдельной магистрали подвода жидкого компонента высокого давления от основного турбонасосного агрегата к БТНА.- the presence of an external supply path to the separating cavity and the bearing cavity of the BTNA turbine complicates the design of the engine, since it requires the inclusion of a separate line in the engine for supplying the high-pressure liquid component from the main turbo pump unit to the BTNA.

Известен бустерный насосный агрегат ЖРД (Патент РФ 2134821 С1. Бустерный насосный агрегат ЖРД. Опубликовано 20.08.1999), разделительное уплотнение в котором представляет собой комбинацию импеллера и щелевого уплотнения, установлено между турбиной и насосом.Known LPRE booster pump unit (RF Patent 2134821 C1. LPRE booster pump unit. Published on 08/20/1999), a separating seal in which is a combination of an impeller and a slotted seal, is installed between the turbine and the pump.

Недостатками указанного устройства являются:The disadvantages of this device are:

- утечка жидкого компонента из разделительной полости в полость турбины БТНА снижает как ее экономичность, так и экономичность БТНА;- the leakage of the liquid component from the separation cavity into the cavity of the BTNA turbine reduces both its efficiency and the efficiency of the BTNA;

- усилие на подшипники от действия осевых сил складывается из усилия, действующего на рабочее колесо насоса и импеллера, отсутствует возможность компенсации усилия, действующего на подшипники.- the force on the bearings from the action of axial forces consists of the force acting on the impeller of the pump and the impeller, there is no possibility of compensating the force acting on the bearings.

Известно устройство разделения насоса и турбины БТНА ЖРД, содержащее насос, турбину, разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны насоса уплотнением вала, а со стороны колеса турбины разгрузочным диском с его уплотнением, тракт внешнего подвода в разделительную полость и полость подшипника турбины, разгрузочный диск с его уплотнением совмещен с колесом турбины, диаметр уплотнения вала выполнен меньше диаметра вала в месте посадки подшипника турбины, а подшипник турбины установлен со стороны насоса за разделительной полостью. (Патент РФ 2299344 С1. Устройство разделения насоса и турбины бустерного турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя., опубликовано: 20.05.2007, Бюл. №14 - прототип).Known is a device for separating a pump and a turbine BTNA LRE, which contains a pump, a turbine, a separating cavity between the pump and the turbine, limited from the pump side by a shaft seal, and from the side of the turbine wheel by a discharge disk with its seal, an external supply path to the separation cavity and the turbine bearing cavity, the unloading disk with its seal is aligned with the turbine wheel, the shaft seal diameter is made less than the shaft diameter at the site of the turbine bearing seat, and the turbine bearing is installed on the pump side behind the separation cavity. (RF patent 2299344 C1. A device for separating a pump and a turbine of a booster turbopump unit of a liquid-propellant rocket engine., Published: 20.05.2007, Bul. No. 14 - prototype).

БТНА с таким устройством разделения насоса и турбины обладает следующими недостатками:BTNA with such a pump-turbine separation device has the following disadvantages:

- при работе БТНА холодная утечка из полости разгрузочного диска попадает на колесо турбины, что приводит к возникновению зонтичного эффекта - термическим деформациям и напряжениям в диске и лопатках колеса турбины;- during BTNA operation, cold leakage from the cavity of the unloading disk enters the turbine wheel, which leads to an umbrella effect - thermal deformations and stresses in the disk and blades of the turbine wheel;

- утечка жидкого компонента из разделительной полости в полость турбины БТНА снижает ее экономичность;- leakage of the liquid component from the separation cavity into the cavity of the BTNA turbine reduces its efficiency;

- наличие тракта внешнего подвода в разделительную полость и полость подшипника турбины БТНА усложняет конструкцию двигателя, так как требует включения в состав двигателя отдельной магистрали подвода жидкого компонента высокого давления от основного турбонасосного агрегата к БТНА;- the presence of an external supply path to the separating cavity and the bearing cavity of the BTNA turbine complicates the design of the engine, since it requires the inclusion of a separate line in the engine for supplying a high-pressure liquid component from the main turbo pump unit to the BTNA;

- усилие разгрузки подшипников от действия осевых сил определяется давлением подводимого компонента и диаметром уплотнения на диске колеса турбины БТНА, приводимого газовой турбиной, однако чем выше давление подводимого на разгрузку компонента топлива, тем большая мощность теряется на основном турбонасосном агрегате, и чем больше диаметр уплотнения, тем меньше коэффициент полезного действия (КПД) турбины БТНА и выше термические напряжения в колесе турбины;- the force of unloading the bearings from the action of axial forces is determined by the pressure of the supplied component and the diameter of the seal on the disc of the BTNA turbine wheel driven by the gas turbine, however, the higher the pressure of the fuel supplied to unload the component, the more power is lost on the main turbopump unit, and the larger the diameter of the seal, the lower the efficiency of the BTNA turbine and the higher the thermal stresses in the turbine wheel;

- утечки в полость насоса компонента, подводимого на разгрузку подшипников, приводят к снижению общей экономичности системы питания двигателя;- leaks into the pump cavity of the component supplied to unload the bearings, lead to a decrease in the overall efficiency of the engine power supply system;

- утечки в полость турбины компонента, подводимого на разгрузку подшипников, приводят к снижению ее экономичности, в БТНА ЖРД с тягой менее 0,5 МН уменьшение утечек из разделительной полости в полость турбины особенно важно, так как эти утечки по величине могут быть сопоставимы с расходом газа через турбину.- leaks into the turbine cavity of the component supplied to unload the bearings, lead to a decrease in its efficiency; in a BTNA LPRE with a thrust of less than 0.5 MN, a decrease in leakages from the separation cavity into the turbine cavity is especially important, since these leaks in magnitude can be comparable to the flow rate gas through the turbine.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков устройства разделения насоса и турбины БТНА ЖРД, уменьшение потерь мощности, затрачиваемой на разделение насоса и турбины, повышение экономичности системы питания, снижения термических деформаций рабочего колеса газовой турбины, обеспечение снижения усилия, действующего на подшипники от осевых сил.The objective of the present invention is to eliminate the above disadvantages of the device for separating the pump and turbine BTNA LPRE, to reduce power losses spent on separating the pump and turbine, to increase the efficiency of the power supply system, to reduce thermal deformations of the gas turbine impeller, to reduce the force acting on the bearings from axial forces.

Технический эффект достигается тем, что в БТНА ЖРД, содержащем насос, турбину, подшипник турбины, подшипник насоса, разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны турбины уплотнением вала, подшипник турбины установлен со стороны насоса за разделительной полостью согласно изобретению разделительная полость размещена между подшипником турбины и уплотнением вала, со стороны турбины, в разделительной полости установлен разгрузочный диск, на наружном диаметре которого выполнено уплотнение, а разделительная полость в периферийной части соединена отводящими каналами с отводом насоса.The technical effect is achieved by the fact that in a BTNA LPRE containing a pump, a turbine, a turbine bearing, a pump bearing, a separation cavity between the pump and a turbine, limited from the turbine side by a shaft seal, the turbine bearing is installed on the pump side behind the separation cavity according to the invention, the separation cavity is located between with a turbine bearing and a shaft seal, on the turbine side, a discharge disc is installed in the separating cavity, on the outer diameter of which a seal is made, and the separating cavity in the peripheral part is connected by outlet channels with the pump outlet.

Для снижения осевого усилия, действующего в сторону входа насоса:To reduce the axial thrust towards the pump inlet:

- со стороны турбины может быть выполнена дополнительная разгрузочная полость, примыкающая к диску колеса турбины, ограниченная уплотнениям по валу и уплотнением на диске колеса турбины, соединенная каналами с коллектором подвода газа к турбине;- on the side of the turbine, an additional unloading cavity can be made adjacent to the turbine wheel disc, limited by seals along the shaft and a seal on the turbine wheel disc, connected by channels to the gas supply manifold to the turbine;

- между подшипником турбины и подшипником насоса может быть установлена осевая пружина;- an axial spring can be installed between the turbine bearing and the pump bearing;

- на торце разгрузочного диска со стороны насоса могут быть выполнены лопатки или ребра;- blades or ribs can be made at the end of the unloading disk from the pump side;

- на торце корпуса, примыкающем к разгрузочному диску со стороны турбины, могут быть выполнены лопатки или ребра;- blades or ribs can be made on the end of the body adjacent to the unloading disc from the turbine side;

- на торце разгрузочного диска со стороны насоса и в корпусе, примыкающем к разгрузочному диску со стороны турбины, могут быть выполнены лопатки или ребра.- blades or ribs can be made at the end of the unloading disc from the pump side and in the housing adjacent to the unloading disc from the turbine side.

Продольный разрез предлагаемого бустерного турбонасосного агрегата ЖРД представлен на фиг. 1, на фиг. 2, 3 - варианты БТНА с лопатками/ ребрами на торце корпуса, дополнительной разгрузочной полостью, где:A longitudinal section of the proposed booster turbopump unit of the LPRE is shown in Fig. 1, FIG. 2, 3 - options for BTNA with blades / ribs at the end of the body, an additional unloading cavity, where:

1 - турбина;1 - turbine;

2 - насос;2 - pump;

3 - разделительная полость между насосом и турбиной;3 - separation cavity between the pump and the turbine;

4 - уплотнение вала;4 - shaft seal;

5 - разгрузочный диск;5 - unloading disc;

6 - уплотнение разгрузочного диска;6 - seal of the unloading disk;

7 - подшипник турбины;7 - turbine bearing;

8 - подшипник насоса;8 - pump bearing;

9 - отводящие каналы в отвод насоса;9 - outlet channels to the pump outlet;

10 - отвод насоса;10 - pump outlet;

11 - лопатки/ребра на разгрузочном диске;11 - blades / ribs on the unloading disc;

12 - лопатки/ребра в корпусе;12 - blades / ribs in the body;

13 - рабочее колесо насоса;13 - pump impeller;

14 - диск колеса турбины;14 - turbine wheel disc;

15 - дополнительная разгрузочная полость диска колеса турбины;15 - additional unloading cavity of the turbine wheel disc;

16 - уплотнение на диске колеса турбины;16 - seal on the turbine wheel disc;

17 - коллектор подвода турбины;17 - turbine inlet manifold;

18 - каналы подвода газа.18 - gas supply channels.

Бустерный турбонасосный агрегат (фиг. 1) состоит из турбины 1, насоса 2 между которыми расположена разделительная полость 3, ограниченная со стороны турбины уплотнением вала 4. В разделительной полости 3 расположен разгрузочный диск 5, на наружном диаметре которого расположено уплотнение 6. Вал установлен на подшипник турбины 7 и подшипник насоса 8. В периферийной части разделительная полость соединена отводящими каналами 9 с отводом насоса 10. Для повышения разгружающей способности на торце разгрузочного диска со стороны насоса могут быть выполнены лопатки или ребра 11, с той же целью лопатки или ребра могут быть выполнены на торце корпуса 12 со стороны разгрузочного диска 5 (фиг. 2), обращенной в сторону турбины. Лопатки/ребра 11 на торце разгрузочного диска и лопатки/ребра 12 на торце корпуса могут быть выполнены как по отдельности, так и совместно. В состав насоса 2 входит рабочее колесо насоса 13.The booster turbopump unit (Fig. 1) consists of a turbine 1, a pump 2 between which there is a separation cavity 3, bounded from the turbine side by a shaft seal 4. In the separation cavity 3 there is a discharge disc 5, on the outer diameter of which there is a seal 6. The shaft is mounted on turbine bearing 7 and pump bearing 8. In the peripheral part, the separation cavity is connected by outlet channels 9 with a pump outlet 10. To increase the unloading capacity, blades or ribs 11 can be made at the end of the unloading disk on the pump side, for the same purpose, the blades or ribs can be are made on the end of the housing 12 from the side of the unloading disk 5 (Fig. 2) facing the turbine. The vanes / ribs 11 at the end of the unloading disc and the vanes / ribs 12 at the end of the housing can be made both separately and together. Pump 2 includes a pump impeller 13.

В варианте изобретения бустерный турбонасосный агрегат (фиг. 3), состоит из турбины 1, насоса 2 между которыми расположена разделительная полость 3, ограниченная со стороны турбины уплотнением вала 4. В разделительной полости 3 расположен разгрузочный диск 5, на наружном диаметре которого расположено уплотнение 6. Вал установлен на подшипник турбины 7 и подшипник насоса 8. В периферийной части разделительная полость соединена отводящими каналами 9 с отводом насоса 10. Для повышения разгружающей способности на торце разгрузочного диска со стороны насоса могут быть выполнены лопатки/ребра 11, с той же целью лопатки/ребра 12 могут быть выполнены на торце корпуса со стороны разгрузочного диска 5, обращенной в сторону турбины. Лопатки/ребра 11 на торце разгрузочного диска и лопатки/ребра 12 на торце корпуса могут быть выполнены как по отдельности, так и совместно. В состав насоса 2 входит рабочее колесо насоса 13. Для дополнительной компенсации осевой силы, действующей на подшипники 7 со стороны турбины, у диска колеса турбины 14 использована дополнительная разгрузочная полость 15, ограниченная уплотнением вала 4 и уплотнением на диске колеса турбины 16, соединенная с коллектором подвода газа к турбине 17 каналами 18.In an embodiment of the invention, the booster turbopump unit (Fig. 3) consists of a turbine 1, a pump 2 between which there is a separation cavity 3, bounded from the turbine side by a shaft seal 4. In the separation cavity 3 there is a discharge disc 5, on the outer diameter of which there is a seal 6 The shaft is mounted on the turbine bearing 7 and the pump bearing 8. In the peripheral part, the separating cavity is connected by the outlet channels 9 with the pump outlet 10. To increase the unloading capacity at the end of the unloading disc on the pump side, blades / ribs 11 can be made, for the same purpose blades / ribs 12 can be made at the end of the housing from the side of the unloading disk 5 facing the turbine. The vanes / ribs 11 at the end of the unloading disc and the vanes / ribs 12 at the end of the housing can be made both separately and together. Pump 2 includes a pump impeller 13. For additional compensation of the axial force acting on the bearings 7 from the turbine side, an additional unloading cavity 15 is used at the turbine wheel disk 14, limited by the shaft seal 4 and the seal on the turbine wheel disk 16, connected to the collector gas supply to the turbine with 17 channels 18.

При работе БТНА (фиг. 1) в разделительную полость 3 со стороны насоса 2 на разгрузочный диск 5 поступает рабочая жидкость насоса высокого давления после рабочего колеса насоса 13 из отвода насоса 10 через каналы 9, а со стороны турбины 1 через уплотнение вала 4 на разгрузочный диск 5 из турбины поступает газ. За счет вращения ротора разгрузочный диск 5 создает дополнительный напор, давление на его наружном диаметре превышает давление в отводе насоса 10 и давление на выходе из уплотнения 4, что исключает прорыв газа в полость рабочего колеса насоса. Утечка рабочей жидкости из разгрузочной полости ограничена уплотнением 6 на разгрузочном диске. Из разгрузочной полости 5 смесь рабочей жидкости насоса и газа из турбины через отводящие каналы 9 поступает в отвод насоса 10, где смешивается с основным потоком. При смешении с жидким компонентом газ конденсируется и на вход в насос основного турбонасосного агрегата поступает рабочее тело в жидкой фазе. Так как утечка газа из турбины через уплотнение вала 4, по сравнению с расходом через насос БТНА, невелика, она не оказывает существенного влияния на характеристики основного насоса турбонасосного агрегата. При работе на рабочее колесо насоса 13 действует осевое усилие, создаваемое действующим на него перепадом давлений. Это усилие направлено в сторону от выхода к входу в насос. В турбине 1, работающей при низком перепаде давлений, на диск колеса турбины 14 действует осевое усилие, направленное в ту же сторону, что и осевое усилие, действующее на рабочее колесо насоса 13. Осевые усилия, действующие на диск колеса турбины 14 и рабочее колесо насоса 13, уравновешиваются осевым усилием, действующим на разгрузочный диск 5 и направленным в обратную сторону, т.е. от входа к выходу из насоса, что снижает осевую, силу, действующую на подшипники 7 и 8. Для повышения разгружающей способности разгрузочного диска 5 в разгрузочном диске со стороны насоса могут быть выполнены лопатки или ребра 11, повышающие давление по поверхности диска. Для выравнивания давления по поверхности диска со стороны турбины лопатки или ребра могут быть выполнены на торце корпуса 12 со стороны разгрузочного диска, обращенной в сторону турбины (фиг. 2). Лопатки/ребра 11 в разгрузочном диске и лопатки/ребра 12 на торце корпуса могут быть выполнены как по отдельности, так и совместно в зависимости от распределения давления в полостях насоса и турбины БТНА. Площадь разгрузочного диска 5 определяется величиной осевого усилия, требуемого для уравновешивания осевых сил, действующих на диск колеса турбины 14 и рабочее колесо насоса 13.During the operation of the BTNA (Fig. 1), the working fluid of the high-pressure pump enters the separation cavity 3 from the side of the pump 2 to the unloading disk 5 after the impeller of the pump 13 from the outlet of the pump 10 through channels 9, and from the side of the turbine 1 through the shaft seal 4 to the unloading disk 5 is supplied with gas from the turbine. Due to the rotation of the rotor, the unloading disc 5 creates an additional head, the pressure on its outer diameter exceeds the pressure at the pump outlet 10 and the pressure at the outlet of the seal 4, which excludes gas breakthrough into the cavity of the pump impeller. The leakage of the working fluid from the unloading cavity is limited by the seal 6 on the unloading disc. From the unloading cavity 5, the mixture of the working fluid of the pump and gas from the turbine through the outlet channels 9 enters the outlet of the pump 10, where it mixes with the main flow. When mixed with a liquid component, the gas condenses and the working fluid in the liquid phase enters the pump inlet of the main turbo pump unit. Since the gas leak from the turbine through the shaft seal 4, compared to the flow through the BTNA pump, is small, it does not significantly affect the characteristics of the main pump of the turbo pump unit. During operation, an axial force acts on the impeller of the pump 13, created by the pressure difference acting on it. This force is directed away from the outlet to the inlet of the pump. In the turbine 1, operating at a low pressure drop, an axial force acts on the disk of the turbine wheel 14, directed in the same direction as the axial force acting on the pump impeller 13. Axial forces acting on the turbine wheel disk 14 and the pump impeller 13, are balanced by an axial force acting on the unloading disc 5 and directed in the opposite direction, i.e. from the inlet to the outlet of the pump, which reduces the axial force acting on the bearings 7 and 8. To increase the unloading ability of the unloading disc 5, blades or ribs 11 can be made in the unloading disc from the pump side to increase the pressure over the disc surface. To equalize the pressure on the surface of the disk from the turbine side, blades or ribs can be made on the end of the housing 12 from the side of the unloading disk facing the turbine (Fig. 2). The blades / ribs 11 in the unloading disk and the blades / ribs 12 at the end of the housing can be made both separately and together, depending on the pressure distribution in the cavities of the pump and the BTNA turbine. The area of the unloading disk 5 is determined by the value of the axial force required to balance the axial forces acting on the disk of the turbine wheel 14 and the pump impeller 13.

При работе варианта БТНА с повышенной разгружающей способностью (фиг. 3) в разделительную полость 3 со стороны насоса 2 на разгрузочный диск 5 поступает рабочая жидкость насоса высокого давления после рабочего колеса насоса 13 из отвода насоса 10 через каналы 9, а со стороны турбины 1 через уплотнение вала 4 на разгрузочный диск 5 из турбины поступает газ. За счет вращения ротора разгрузочный диск 5 создает дополнительный напор, давление на его наружном диаметре превышает давление в отводе насоса 10 и давление на выходе из уплотнения 4, что исключает прорыв газа в полость рабочего колеса насоса. Утечка рабочей жидкости из разгрузочной полости ограничена уплотнением 6 на разгрузочном диске. Из разгрузочной полости 5 смесь рабочей жидкости насоса и газа из турбины через отводящие каналы 9 поступает в отвод насоса 10, где смешивается с основным потоком. При смешении с жидким компонентом газ конденсируется и на вход в насос основного турбонасосного агрегата поступает рабочее тело в жидкой фазе. Так как утечка газа из турбины через уплотнение вала 4, по сравнению с расходом через насос БТНА, невелика, она не оказывает существенного влияния на характеристики основного насоса турбонасосного агрегата. При работе на рабочее колесо насоса 13 действует осевое усилие, создаваемое действующим на него перепадом давлений. Это усилие направлено в сторону от выхода к входу в насос. В турбине 1, работающей при низком перепаде давлений, на диск колеса турбины 14 действует осевое усилие, направленное в ту же сторону, что и осевое усилие, действующее на рабочее колесо насоса 13. Осевые усилия, действующие на диск колеса турбины 14 и рабочее колесо насоса 13, уравновешиваются осевым усилием, действующим на разгрузочный диск 5 и направленным в обратную сторону, т.е. от входа к выходу из насоса, что снижает осевую, силу, действующую на подшипники 7 и 8. Для повышения разгружающей способности разгрузочного диска 5 в разгрузочном диске со стороны насоса могут быть выполнены лопатки или ребра 11, повышающие давление по поверхности диска. Для выравнивания давления по поверхности диска со стороны турбины лопатки или ребра 12 могут быть выполнены на торце корпуса со стороны разгрузочного диска, обращенной в сторону турбины. Лопатки/ребра 11 в разгрузочном диске и лопатки/ребра 12 на торце корпуса могут быть выполнены как по отдельности, так и совместно в зависимости от распределения давления в полостях насоса и турбины БТНА. Дополнительно для снижения утечек рабочей жидкости насоса из разделительной полости между насосом и турбиной 3 в отвод насоса 10 и повышения общей разгружающей способности в разгрузочную полость диска турбины 15, ограниченную диском колеса турбины 14, уплотнением вала 4 и уплотнением на диске колеса турбины 16, из коллектора подвода турбины 17 через каналы подвода в разгрузочную полость диска турбины 18 поступает газ высокого давления. В дополнительной разгрузочной полости 15 создается осевое усилие, направленное в сторону противоположную выходу из насоса, величина которого определяется диаметрами уплотнения вала 4 и уплотнения на диске колеса турбины 16. Площадь разгрузочного диска 5 и диаметр уплотнения на диске колеса турбины 16 определяются величиной осевого усилия, требуемого для уравновешивания осевых сил, действующих на диск колеса турбины 14 и рабочее колесо насоса 13.When operating the BTNA version with increased unloading capacity (Fig. 3), the working fluid of the high-pressure pump enters the separation cavity 3 from the pump 2 side to the unloading disk 5 after the pump impeller 13 from the pump outlet 10 through channels 9, and from the turbine 1 side through shaft seal 4, gas flows from the turbine to the unloading disc 5. Due to the rotation of the rotor, the unloading disc 5 creates an additional head, the pressure on its outer diameter exceeds the pressure at the pump outlet 10 and the pressure at the outlet of the seal 4, which excludes gas breakthrough into the cavity of the pump impeller. The leakage of the working fluid from the unloading cavity is limited by the seal 6 on the unloading disc. From the unloading cavity 5, the mixture of the working fluid of the pump and gas from the turbine through the outlet channels 9 enters the outlet of the pump 10, where it mixes with the main flow. When mixed with a liquid component, the gas condenses and the working fluid in the liquid phase enters the pump inlet of the main turbo pump unit. Since the gas leak from the turbine through the shaft seal 4, compared to the flow through the BTNA pump, is small, it does not significantly affect the characteristics of the main pump of the turbo pump unit. During operation, an axial force acts on the impeller of the pump 13, created by the pressure difference acting on it. This force is directed away from the outlet to the inlet of the pump. In the turbine 1, operating at a low pressure drop, an axial force acts on the disk of the turbine wheel 14, directed in the same direction as the axial force acting on the pump impeller 13. Axial forces acting on the turbine wheel disk 14 and the pump impeller 13, are balanced by an axial force acting on the unloading disc 5 and directed in the opposite direction, i.e. from the inlet to the outlet of the pump, which reduces the axial force acting on the bearings 7 and 8. To increase the unloading ability of the unloading disc 5, blades or ribs 11 can be made in the unloading disc from the pump side to increase the pressure over the disc surface. To equalize the pressure on the surface of the disk from the turbine side, blades or ribs 12 can be made at the end of the housing from the side of the unloading disk facing the turbine. The blades / ribs 11 in the unloading disk and the blades / ribs 12 at the end of the housing can be made both separately and together, depending on the pressure distribution in the cavities of the pump and the BTNA turbine. Additionally, to reduce leaks of the pump working fluid from the separation cavity between the pump and turbine 3 into the pump outlet 10 and increase the overall unloading capacity into the unloading cavity of the turbine disk 15, limited by the turbine wheel disk 14, the shaft seal 4 and the seal on the turbine wheel disk 16, from the manifold the supply of the turbine 17 through the supply channels into the unloading cavity of the disk of the turbine 18 high pressure gas enters. In the additional unloading cavity 15, an axial force is created, directed in the direction opposite to the outlet from the pump, the value of which is determined by the diameters of the shaft seal 4 and the seal on the disk of the turbine wheel 16. The area of the unloading disk 5 and the diameter of the seal on the disk of the turbine wheel 16 are determined by the value of the axial force required to balance the axial forces acting on the turbine wheel disk 14 and the pump impeller 13.

Преимуществом приведенного бустерного турбонасосного агрегата ЖРД, в отличие от прототипа, где разгрузка подшипников от действия осевых сил обеспечивается за счет подвода рабочего тела высокого давления с выхода насоса основного турбонасосного агрегата, является:The advantage of the reduced booster turbopump unit of a liquid-propellant engine, in contrast to the prototype, where the unloading of bearings from the action of axial forces is provided by supplying a high-pressure working fluid from the outlet of the pump of the main turbo-pump unit, is:

- отсутствие холодной утечки рабочего тела из разделительной полости 3 на диск колеса турбины 14, что исключает возникновение зонтичного эффекта - термических деформаций и напряжений в колесе турбины;- no cold leakage of the working fluid from the separation cavity 3 to the disk of the turbine wheel 14, which excludes the occurrence of the umbrella effect - thermal deformations and stresses in the turbine wheel;

- отсутствие утечки жидкого компонента из разделительной полости 3 в полость турбины, что позволяет обеспечить высокую экономичность турбины;- no leakage of the liquid component from the separation cavity 3 into the turbine cavity, which allows for high efficiency of the turbine;

- отсутствие утечки компонента, подводимого на разгрузку подшипников, в полость насоса обеспечивает высокую экономичность насоса БТНА;- absence of leakage of the component supplied for unloading the bearings into the pump cavity ensures high efficiency of the BTNA pump;

- осуществление осевой разгрузки опор за счет организации рабочего процесса внутри агрегата;- implementation of axial unloading of the supports due to the organization of the working process inside the unit;

- исключение подвода жидкого компонента высокого давления в разделительную полость между насосом и турбиной, требовавшего включения в состав двигателя отдельной магистрали жидкого компонента высокого давления от основного турбонасосного агрегата к БТНА;- elimination of the supply of the high-pressure liquid component to the separation cavity between the pump and the turbine, which required the inclusion of a separate line of the high-pressure liquid component from the main turbopump unit to the BTNA into the engine;

- обеспечение величины усилия разгрузки подшипников от действия осевых сил выбором диаметра разгрузочного диска, площади разгрузочной полости (диаметров уплотнения вала 4 и уплотнения на диске колеса турбины 16), усилием осевой пружины.- ensuring the magnitude of the unloading force of the bearings from the action of axial forces by choosing the diameter of the unloading disc, the area of the unloading cavity (diameters of the shaft seal 4 and the seal on the turbine wheel disc 16), the force of the axial spring.

Таким образом, реализация бустерного турбонасосного агрегата ЖРД обеспечит минимальные потери мощности, связанные с разгрузкой подшипников от действия осевых сил при обеспечении их надежной разгрузки и общем повышении экономичности системы питания ЖРД.Thus, the implementation of the booster turbopump unit of the liquid-propellant engine will provide minimal power losses associated with the unloading of bearings from the action of axial forces while ensuring their reliable unloading and a general increase in the efficiency of the liquid-propellant engine power system.

Claims (8)

1. Бустерный турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя, содержащий насос, турбину, разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны турбины уплотнением вала, подшипник турбины, установленный со стороны насоса за разделительной полостью, отличающийся тем, что разделительная полость соединена каналами с отводом насоса и в нее помещен разгрузочный диск, на наружном диаметре которого выполнено уплотнение.1. Booster turbopump unit of a liquid-propellant rocket engine, containing a pump, a turbine, a separation cavity between the pump and the turbine, limited from the turbine side by a shaft seal, a turbine bearing mounted on the pump side behind the separation cavity, characterized in that the separation cavity is connected by channels to the pump outlet and a relief disc is placed in it, on the outer diameter of which a seal is made. 2. Бустерный турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что на торце разгрузочного диска со стороны насоса выполнены лопатки или ребра.2. The booster turbopump assembly of a liquid-propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that blades or ribs are made at the end of the unloading disk from the pump side. 3. Бустерный турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что на торце корпуса, примыкающем к разгрузочному диску со стороны турбины, выполнены лопатки или ребра.3. The booster turbopump unit of a liquid-propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that blades or ribs are made at the end of the housing adjacent to the unloading disc from the turbine side. 4. Бустерный турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что на торце разгрузочного диска со стороны насоса и на торце корпуса, примыкающем к разгрузочному диску со стороны турбины, выполнены лопатки или ребра.4. The booster turbopump assembly of a liquid-propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that blades or ribs are made at the end of the unloading disc from the pump side and on the end of the housing adjacent to the unloading disc from the turbine side. 5. Бустерный турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя, содержащий насос, турбину, разделительную полость между насосом и турбиной, ограниченную со стороны турбины уплотнением по валу, подшипник турбины, установленный со стороны насоса за разделительной полостью, отличающийся тем, что разделительная полость соединена каналами с отводом насоса и в нее помещен разгрузочный диск, на наружном диаметре которого выполнено уплотнение, а со стороны турбины выполнена дополнительная разгрузочная полость, примыкающая к диску колеса турбины, ограниченная уплотнениями вала и диска колеса турбины и соединенная каналами с коллектором подвода газа к турбине.5. Booster turbopump unit of a liquid-propellant rocket engine, containing a pump, a turbine, a separation cavity between the pump and the turbine, limited from the turbine side by a seal along the shaft, a turbine bearing installed on the pump side behind the separation cavity, characterized in that the separation cavity is connected by channels with a branch pump and a discharge disk is placed in it, on the outer diameter of which a seal is made, and an additional discharge cavity is made on the side of the turbine, adjacent to the disk of the turbine wheel, limited by the shaft and disk seals of the turbine wheel and connected by channels to the gas supply manifold to the turbine. 6. Бустерный турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по п. 5, отличающийся тем, что на торце разгрузочного диска со стороны насоса выполнены лопатки или ребра.6. The booster turbopump unit of a liquid-propellant rocket engine according to claim 5, characterized in that blades or ribs are made at the end of the unloading disk from the pump side. 7. Бустерный турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по п. 5, отличающийся тем, что на торце корпуса, примыкающем к разгрузочному диску со стороны турбины, выполнены лопатки или ребра.7. The booster turbopump assembly of a liquid-propellant rocket engine according to claim 5, characterized in that blades or ribs are made at the end of the housing adjacent to the unloading disk from the turbine side. 8. Бустерный турбонасосный агрегат жидкостного ракетного двигателя по п. 5, отличающийся тем, что на торце разгрузочного диска со стороны насоса и на торце корпуса, примыкающем к разгрузочному диску со стороны турбины, выполнены лопатки или ребра.8. The booster turbopump assembly of a liquid-propellant rocket engine according to claim 5, characterized in that blades or ribs are made at the end of the unloading disc from the pump side and on the end of the housing adjacent to the unloading disc from the turbine side.
RU2019113991A 2019-05-06 2019-05-06 Lpre booster turbopump unit (embodiments) RU2730566C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019113991A RU2730566C1 (en) 2019-05-06 2019-05-06 Lpre booster turbopump unit (embodiments)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019113991A RU2730566C1 (en) 2019-05-06 2019-05-06 Lpre booster turbopump unit (embodiments)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730566C1 true RU2730566C1 (en) 2020-08-24

Family

ID=72237974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019113991A RU2730566C1 (en) 2019-05-06 2019-05-06 Lpre booster turbopump unit (embodiments)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2730566C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117307357A (en) * 2023-10-26 2023-12-29 九州云箭(北京)空间科技有限公司 Rocket engine modularized assembly turbopump system and recovery method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2015696A1 (en) * 1969-04-03 1971-01-28 Bringer, Henri Vernon (Frankreich) Turbopump for jet engines
RU2106534C1 (en) * 1996-09-25 1998-03-10 Научно-производственное объединение энергетического машиностроения им.акад.В.П.Глушко Booster turbopump unit
RU2134821C1 (en) * 1997-08-13 1999-08-20 Конструкторское бюро химавтоматики Booster pumping unit
RU2299344C1 (en) * 2005-11-15 2007-05-20 Открытое акционерное общество Конструкторское бюро химавтоматики Device for separation of the pump and the turbine of the booster turbo-pump aggregate of the liquid propellant rocket engine

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2015696A1 (en) * 1969-04-03 1971-01-28 Bringer, Henri Vernon (Frankreich) Turbopump for jet engines
GB1294407A (en) * 1969-04-03 1972-10-25 Henri Bringer Turbine driven pumps for rocket motors
RU2106534C1 (en) * 1996-09-25 1998-03-10 Научно-производственное объединение энергетического машиностроения им.акад.В.П.Глушко Booster turbopump unit
RU2134821C1 (en) * 1997-08-13 1999-08-20 Конструкторское бюро химавтоматики Booster pumping unit
RU2299344C1 (en) * 2005-11-15 2007-05-20 Открытое акционерное общество Конструкторское бюро химавтоматики Device for separation of the pump and the turbine of the booster turbo-pump aggregate of the liquid propellant rocket engine

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117307357A (en) * 2023-10-26 2023-12-29 九州云箭(北京)空间科技有限公司 Rocket engine modularized assembly turbopump system and recovery method
CN117307357B (en) * 2023-10-26 2024-03-22 九州云箭(北京)空间科技有限公司 Rocket engine modularized assembly turbopump system and recovery method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10167874B2 (en) Centrifugal pump, in particular for supplying power to rocket engines
CN111140509B (en) Coaxial turbine pump structure of liquid oxygen kerosene engine
US8177489B1 (en) Axial tip turbine driven pump
RU2341689C2 (en) Turbo pump assembly
CN101892991B (en) Horizontal type multi-stage pump without leakage
JPS63212701A (en) Traction type steam piston balancer
US8864441B1 (en) Rocket engine turbopump
RU2730566C1 (en) Lpre booster turbopump unit (embodiments)
US7004719B2 (en) Axial thrust balancing system for a centrifugal compressor, having improved safety characteristics
US7931441B1 (en) Inducer with tip shroud and turbine blades
RU2299344C1 (en) Device for separation of the pump and the turbine of the booster turbo-pump aggregate of the liquid propellant rocket engine
US5197851A (en) Axial flow turbopump with integrated boosting
RU2395706C1 (en) Turbo pump unit
US5456577A (en) Centrifugal pump with resiliently biasing diffuser
US5224817A (en) Shunt flow turbopump with integrated boosting
WO2013031343A1 (en) Multi-pressure centrifugal turbo machine
RU2734733C9 (en) Booster turbo pump unit of lpe
CN109882423B (en) Centrifugal pump device with ultralow specific speed
US3024734A (en) Dynamic seal for varying operating conditions
RU94644U1 (en) MULTI-STAGE PUMP
RU2525775C1 (en) Liquid-propellant rocket engine turbopump unit
RU2533524C1 (en) Oxidiser turbopump unit for generator-free liquid-propellant rocket engine
RU2526996C1 (en) Solid-propellant rocket engine turbopump unit
RU2533595C1 (en) Turbopump unit
CN218293881U (en) Liquid oxygen pre-compaction turbopump and turbopump