способ обеспечения бессрывной работы турбонасосного агрегата многорежимного жидкостного ракетного двигателя на режимах глубокого дросселирования

Формула изобретения

1. Способ обеспечения бессрывной работы насосов турбонасосного агрегата дросселируемого жидкостного ракетного двигателя, основанный на установке перед насосами бустерных насосов, привод каждого из которых осуществляется турбиной газовой или гидравлической, при этом вход в каждую турбину гидравлически соединен с помощью трубопровода либо с выходом одного из насосов в случае гидротурбины, либо с газовым трактом, расположенным за турбиной турбонасосного агрегата, в случае газовой турбины, отличающийся тем, что при снижении давления на входе в насосы ниже уровня, необходимого для бессрывной работы насосов, возможного при глубоком дросселировании двигателя, осуществляют повышение напоров бустерных насосов путем подвода рабочего тела к дополнительным сопловым аппаратам со своими входными коллекторами, предварительно установленными в указанных турбинах, через трубопроводы с регулирующими устройствами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве регулирующих устройств может быть применен многопозиционный клапан.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве регулирующих устройств применен регулятор давления.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к высокооборотным шнекоцентробежным насосам, преимущественно к насосам, к которым предъявляются высокие требования по обеспечению антикавитационных свойств (характеристик) в широком диапазоне регулирования, например к насосам турбонасосных агрегатов дросселируемых жидкостных ракетных двигателей.

Предшествующий уровень техники

В технике известен способ обеспечения высоких антикавитационных качеств высокооборотных шнекоцентробежных насосов турбонасосного агрегата (ТНА) обеспечиваются с помощью различных вспомогательных (бустерных) насосов, обладающих высокими антикавитационными качествами и установленными перед входом в основные насосы. Бустерные насосы поддерживают давления на входе в основные насосы ТНА, на уровне необходимом для бессрывной работы (см. например Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. - 3-е изд., перераб. и доп. М., Машиностроение, 1986 г. С.211-212). Указанный способ принимаем за аналог предлагаемого изобретения.

Недостатком аналога является то, что для упомянутых бустерных насосов не предусматривается регулирование режима их работы, следовательно, напор бустерных насосов необходимо будет определять применительно к режиму работы двигателя, при котором для обеспечения работы основных насосов потребуется максимальное входное давление. Таким образом, при изменении режима работы двигателя, прежде всего при его дросселировании, напор, развиваемый бустерными насосами, может оказаться неоптимальным для обеспечения работы основных насосов, что приводит к излишним затратам мощности.

В технике также известен способ обеспечения высоких антикавитационных качеств высокооборотных шнекоцентробежных насосов турбонасосного агрегата (ТНА) с помощью вспомогательных (бустерных) насосов, обладающих высокими антикавитационными качествами и установленных перед входом в основные насосы. В качестве бустерных насосов используются лопаточные насосы с приводом от турбин, гидравлических или газовых, встроенных непосредственно в конструкцию бустерных насосов, при этом рабочее тело для турбин отбирается из магистралей двигателя. В случае применения гидравлической турбины отбор осуществляется с выхода насоса, на входе в который установлен бустерный насос, а в случае применения газовой турбины - из газового тракта, расположенного за турбиной ТНА. При этом параметры рабочего тела турбин, приводящих бустерные насосы, напрямую зависят только от режима работы двигателя, поскольку характеристики, (зависимость гидравлического сопротивления от расхода) трубопроводов, по которым на турбины подаются рабочие тела, являются постоянными.

Указанный способ, реализованный в системе подачи, изображенной на схеме двигателя РД180 (см. Двигатели 1944-2000: - авиационные, ракетные, морские, промышленные. М., «АКС-Конверсалт», 2000 г. С.270), принимаем за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком прототипа является то, что изменение параметров рабочих тел, используемых для работы турбин, связанное с изменением режима работы двигателя, приводит к изменению напора, развиваемого бустерными насосами. Так во время дросселирования двигателя уменьшается давление на входе в турбины, приводящие бустерные насосы, а для газовой турбины уменьшается еще и температура. В результате падает частота вращения бустерных насосов и их напор. На режимах же глубокого дросселирования двигателя, падение напора бустерных насосов может оказаться таким, что приведет к снижению давления на входе в насосы до уровня, недостаточного для их бессрывной работы, что в свою очередь может привести к падению напора основных насосов до уровня, недопустимого для нормальной работы турбонасосного агрегата в составе двигателя. При этом постоянство характеристик трубопроводов не позволяет скомпенсировать падение давления за счет увеличения мощности турбин, приводящих бустерные насосы.

Раскрытие изобретения

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении бессрывной или бескавитационной работы насосов турбонасосного агрегата, входящего в состав системы подачи, при работе на низких режимах.

Это достигается тем, что в способе обеспечения бессрывной работы насосов турбонасосного агрегата дросселируемого жидкостного ракетного двигателя, основанном на установке перед насосами бустерных насосов, привод каждого из которых осуществляется турбиной газовой или гидравлической, при этом вход в каждую турбину гидравлически соединен с помощью трубопровода либо с выходом одного из насосов в случае гидротурбины, либо с газовым трактом, расположенным за турбиной турбонасосного агрегата, в случае газовой турбины, при этом при снижении давления на входе в насосы ниже уровня, необходимого для бессрывной работы насосов, возможного при глубоком дросселировании двигателя, осуществляют повышение напоров бустерных насосов путем подвода рабочего тела к дополнительным сопловым аппаратам со своими входными коллекторами, предварительно установленными в указанных турбинах, через трубопроводы с регулирующими устройствами.

Кроме того, в качестве регулирующих устройств могут быть применены многопозиционные клапаны или регуляторы давления.

Полученный технический результат заключается в том, что на режимах глубокого дросселирования бессрывная работа насосов достигается за счет форсирования бустерных насосов.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема насосной системы подачи, в которой реализован предлагаемый способ в варианте с дополнительными сопловыми аппаратами в турбинах бустерных насосов, гидравлически соединенными с трубопроводами подвода рабочего тела на основные турбины бустерных насосов через регулирующие устройства.

Пример реализации изобретения

Система подачи по фиг.1, в которой реализован предлагаемый способ, содержащая турбонасосный агрегат 1, включающий в себя турбину 2 и насосы 3 и 4, а также установленные перед насосами бустерные насосы 5 и 6, привод каждого из которых осуществляется турбиной, газовой 7 или гидравлической 8, каждая из которых имеет сопловой аппарат 9 или 10 с входным коллектором 11 или 12. Входные коллекторы 11 и 12 гидравлически соединены трубопроводами 13 и 14 с источниками рабочего тела. При этом отбор рабочего тела для газовой турбины 7 осуществляется по трубопроводу 13 из газового тракта 15, расположенного за турбиной 2 турбонасосного агрегата 1, а для гидротурбины 8 - по трубопроводу 14 с выхода насоса 4, перед которым установлен бустерный насос 6.

В турбинах 7 и 8 установлены дополнительные сопловые аппараты 16 и 17 с входными коллекторами 18 и 19, которые трубопроводами 20 и 21 с установленными в них регулирующими устройствами 22 и 23 гидравлически соединены либо непосредственно с источником рабочего тела турбины, либо с трубопроводом 13 или 14, через который осуществляется гидравлическое соединение входных коллекторов 11 и 12 турбин 7 и 8 с источником рабочего тела.

При дросселировании двигателя ниже заданного режима регулирующие устройства 22 и 23 срабатывают, подключая трубопроводы 20 и 21 к источникам рабочего тела, обеспечивая тем самым подачу рабочего тела во входные коллекторы 18 и 19 дополнительных сопловых аппаратов 16 и 17, что приводит к увеличению мощности турбин, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 22 и 23 отключают трубопроводы 20 и 21 и, соответственно, дополнительные сопловые аппараты 16 и 17 от источников рабочего тела.

При дросселировании двигателя ниже заданного режима регулирующие устройства 22 и 23 срабатывают, подключая трубопроводы 20 и 21 к источникам рабочего тела, обеспечивая тем самым подачу рабочего тела во входные коллекторы 18 и 19 дополнительных сопловых аппаратов 16 и 17, что приводит к увеличению мощности турбин, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 22 и 23 отключают трубопроводы 20 и 21 и, соответственно, дополнительные сопловые аппараты 16 и 17 от источников рабочего тела.

В принципе, возможен и другой вариант решения задачи, более простой технологически, поскольку не требует введения дополнительных элементов в конструкцию турбины, но с существенно меньшим диапазоном регулирования, заключается в том, что в трубопроводах, через которые осуществляется гидравлическое соединение входных коллекторов турбин с источниками рабочего тела, установлены регулирующие устройства, обеспечивающие при дросселировании двигателя ниже определенного режима изменение (уменьшение) сопротивления трубопроводов, а при обратном форсировании двигателя выше того же предела, восстановление прежнего уровня сопротивления. Уменьшение сопротивления трубопроводов приводит к повышению давления рабочего тела на входе в турбины, увеличению частоты вращения и повышению напора бустерных насосов. Изменение сопротивления трубопроводов может быть как непрерывным, так и ступенчатым, а регулирующие устройства будут представлять собой, соответственно, либо регуляторы давления, либо многопозиционные клапаны.

Режим, ниже которого регулирующие устройства включаются в работу, а также необходимая величина форсирования бустерных насосов определяется расчетным путем на этапе проектирования и подтверждается в ходе экспериментальной отработки двигателя.

Время выдачи команды на включение регулирующих устройств определяется либо по моменту достижения заранее рассчитанного режима, либо по показаниям датчиков, измеряющих параметры компонента на входе в насос.

Работа устройства.

В варианте, изображенном на фиг.1, при дросселировании двигателя ниже режима, на котором напор, создаваемый бустерными насосами, становится недостаточным для обеспечения бескавитационной работы насосов 3 и 4 или величина падения напора насосов 3 и 4 в результате кавитации становится неприемлемой для работы турбонасосного агрегата в составе двигателя, регулирующие устройства 22 и 23 срабатывают, подключая трубопроводы 20 и 21 к источникам рабочего тела, обеспечивая тем самым подачу рабочего тела во входные коллекторы 18 и 19 дополнительных сопловых аппаратов 16 и 17, что приводит к увеличению мощности турбин, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 22 и 23 отключают трубопроводы 20 и 21 и, соответственно, дополнительные сопловые аппараты 16 и 17 от источников рабочего тела.

Изменение сопротивления трубопроводов 13 и 14 может быть как непрерывным, так и ступенчатым, а регулирующие устройства 22 и 23 будут представлять собой, соответственно, либо клапаны-регуляторы давления, либо многопозиционные клапаны.

В варианте, изображенном на фиг.1, при дросселировании двигателя ниже режима, на котором напор, создаваемый бустерными насосами, становится недостаточным для обеспечения бескавитационной работы насосов 3 и 4 или величина падения напора насосов 3 и 4 в результате кавитации становится неприемлемой для работы турбонасосного агрегата в составе двигателя, регулирующие устройства 21 и 22 срабатывают и изменяют (уменьшают) сопротивления трубопроводов 13 и 14, тем самым снижая потери в трубопроводах, что в свою очередь приводит к некоторому повышению давления во входных коллекторах 10 и 11 т.е. на входе в сопловые аппараты, форсированию бустерных насосов, увеличению их напора и повышению давления на входе в основные насосы. При обратном форсировании двигателя выше того же предела, регулирующие устройства 22 и 23 восстанавливают прежний уровень сопротивления трубопроводов 13 и 14. Изменение сопротивления трубопроводов 13 и 14 может быть как непрерывным, так и ступенчатым, а регулирующие устройства 22 и 23 будут представлять собой, соответственно, либо регуляторы давления, либо многопозиционные клапаны.

Промышленная применимость

Изобретение может использоваться в системах подачи компонентов жидкостных ракетных двигателей, предназначенных для работы в широком диапазоне регулирования, прежде всего с глубоким дросселированием, и имеющих в своем составе бустерные насосы, привод которых обеспечивается турбинами, работающими на рабочих телах, отбираемых из магистралей двигателя, а также при использовании компонентов, не допускающих работу насосов на режимах с кавитацией, например при работе на жидкостях с большим количеством растворенных газов.