RU2548331C1 - Turbo-pump unit - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: turbo-pump unit (TPU), incorporating a rotor and a stator, according to the invention, is fitted with the controlled plunger with a working end face placed in the stator and mobile in the axial direction, and on the rotor the companion end face is provided, and in the working position of the plunger both end faces are in power contact for keeping of the rotor in motionless position. Besides, the stator is interconnected with the plunger by a tight bellow valve interconnected with the control pressure nipple, from the side, opposite to the working end face.

EFFECT: prevention of rotation of TPU shaft in the autorotation mode at purges and technological works on the engine for increase of resource of operation of bearings and other TPU elements.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ракетному двигателестроению и может быть использовано при проектировании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Одной из основных задач, стоящих при создании турбонасосных агрегатов (ТНА) ЖРД является обеспечение достаточного ресурса работы подшипников ТНА, режимы и условия работы которых характеризуются большими скоростями вращения и высокими нагрузками. Смазка и охлаждение подшипников при работе ТНА, как правило, осуществляется компонентами топлива. В ходе проведения работ по подготовке двигателя к штатным режимам работы или при послепусковых работах (захолаживание, технологические продувки) имеет место вращения вала ТНА в режиме авторотации при недостаточном охлаждении и смазке подшипников. Это приводит к повышенной выработке ресурса подшипников, что недопустимо для двигателей многократного использования.The invention relates to rocket propulsion and can be used in the design of liquid rocket engines (LRE). One of the main tasks facing in the creation of turbopump assemblies (ТНА) LRE is to ensure a sufficient resource for the operation of ТНА bearings, the operating conditions and conditions of which are characterized by high rotation speeds and high loads. Bearing lubrication and cooling during the operation of the TNA are typically carried out by fuel components. During the preparation of the engine for normal operating conditions or during post-launch operations (cooling, technological purging), the TNA shaft rotates in autorotation mode with insufficient cooling and lubrication of the bearings. This leads to increased running out of bearing life, which is unacceptable for reusable engines.

Целью предлагаемого изобретения является предотвращение вращения вала ТНА в режиме авторотации при продувках и технологических работах на двигателе для увеличения ресурса работы подшипников и других элементов ТНА.The aim of the invention is to prevent rotation of the TNA shaft in the autorotation mode during purges and technological work on the engine to increase the service life of bearings and other elements of the TNA.

Поставленная цель достигается тем, что турбонасосный агрегат, имеющий в своем составе ротор и статор, согласно изобретению, снабжен размещенным в статоре подвижным в осевом направлении управляемым плунжером с рабочим торцом, а на роторе предусмотрен ответный торец, причем в рабочем положении плунжера оба торца находятся в силовом контакте для удержания ротора в неподвижном положении. Кроме того, статор сообщен с плунжером герметичным сильфоном, сообщенным со штуцером управляющего давления, со стороны, противоположной рабочему торцу.The goal is achieved in that the turbopump assembly, comprising a rotor and a stator, according to the invention, is equipped with an axially movable controllable plunger with a working end face arranged in the stator, and a reciprocal end face is provided on the rotor, both ends being in the working position of the plunger power contact to keep the rotor stationary. In addition, the stator is in communication with the plunger with a sealed bellows in communication with the control pressure fitting, from the side opposite to the working end.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется одной из возможных конструктивных схем, приведенной на фиг. 1, где показаны следующие элементы конструкции ТНА:The invention is illustrated by one of the possible structural schemes shown in FIG. 1, which shows the following structural elements of the TNA:

1. Плунжер с торцом T₁.1. Plunger with end face T ₁ .

2. Пружина.2. The spring.

3. Статор насоса.3. The stator of the pump.

4. Сильфон.4. The bellows.

5. Штуцер.5. Fitting.

6. Гидрозатвор с торцом Т₂, жестко связанный с валом ротора.6. A water seal with an end face T ₂ , rigidly connected with the rotor shaft.

7. Вал ротора.7. The rotor shaft.

8. Шлицевое соединение плунжера 1 со статором 3.8. Slotted connection of the plunger 1 with the stator 3.

9. Входная полость насоса.9. The inlet cavity of the pump.

10. Дренажная полость насоса.10. The drainage cavity of the pump.

Согласно схеме, представленной на фиг. 1, устройство для удержания ротора в неподвижном положении состоит из плунжера с торцом T₁ 1, подпружиненным пружиной 2, для обеспечения возвращения плунжера 1 в исходное состояние. Со стороны, противоположной рабочему торцу T₁, сообщен со штуцером 5. Для обеспечения тормозящего крутящего момента на гидрозатворе 6, жестко связанным с валом ротора 7, предусмотрен торец Т₂. Для обеспечения установки в ходе сборки ТНА на плунжере 1 предусмотрено шлицевое 8 соединение со статором 3.According to the circuit shown in FIG. 1, the device for holding the rotor in a stationary position consists of a plunger with an end face T ₁ 1, spring-loaded with a spring 2, to ensure that the plunger 1 returns to its original state. From the side opposite to the working end face T ₁ , it is connected with the fitting 5. To provide braking torque on the hydraulic lock 6, rigidly connected with the shaft of the rotor 7, an end face T _{2 is} provided. To ensure installation during the assembly of the TNA on the plunger 1, a slotted 8 connection with a stator 3 is provided.

Работа тормозного устройства, представленного на фиг. 1, происходит следующим образом. При отсутствии управляющего давления в полости сильфона 4, сообщенной со штуцером 5, плунжер 1 под действием пружины 2 отведен в крайнее левое положение, так что между торцами T₁ и Т₂ образуется зазор, не препятствующий вращению вала ротора 7. ТНА в данном положении элементов может штатно функционировать. При этом возможные утечки компонента топлива через зазор между торцами T₁ и Т₂ сбрасываются в дренажную полость насоса 10.The operation of the brake device of FIG. 1 occurs as follows. In the absence of control pressure in the cavity of the bellows 4, in communication with the fitting 5, the plunger 1 under the action of the spring 2 is taken to the extreme left position, so that between the ends T ₁ and T ₂ a gap is formed that does not prevent the rotation of the rotor shaft 7. TNA in this position of the elements can function properly. In this case, possible leaks of the fuel component through the gap between the ends T ₁ and T _{2 are} discharged into the drainage cavity of the pump 10.

После выключения двигателя (или до начала его работы) при невращающемся (или при медленно вращающемся) роторе подается управляющее давление в штуцер 5, под действием которого сильфон 4 расширяется и, преодолевая усилие пружины 2, передвигает плунжер 1 вправо до силового контакта T₁ с торцом Т₂. За счет действия сил трения возникает тормозящий крутящий момент, который и удерживает вал 7 от вращения. Одновременно за счет устранения зазора между торцами T₁ и Т₂ прекращается беспрепятственная утечка компонента топлива из полости 9 в дренажную полость 10, что позволяет избавиться от так называемых стояночных уплотнений ротора, необходимых в некоторых случаях для предотвращения больших утечек компонентов топлива по зазорам между ротором и статором насоса во время длительной стоянки ракеты с заправленными баками или при «захолаживании» конструкции ТНА криогенным топливом пред запуском двигателя.After the engine is turned off (or before it starts to work) with a non-rotating (or slowly rotating) rotor, a control pressure is supplied to the nozzle 5, under the influence of which the bellows 4 expands and, overcoming the force of the spring 2, moves the plunger 1 to the right until the power contact T ₁ with the end face T ₂ . Due to the action of friction forces, a braking torque arises, which keeps the shaft 7 from rotating. At the same time, by eliminating the gap between the ends of T ₁ and T _{2, the} unimpeded leakage of the fuel component from the cavity 9 to the drainage cavity 10 is stopped, which allows one to get rid of the so-called parking rotor seals, which are necessary in some cases to prevent large leakages of the fuel components in the gaps between the rotor and the stator of the pump during long-term stays of the rocket with the tanks filled or when the TNA design is “cooled” by cryogenic fuel before the engine starts.

В таком (рабочем) положении тормозного устройства на двигателе можно проводить различные продувочные (или промывочные) операции, не опасаясь вращения вала ротора 7 ТНА в режиме авторотации.In this (working) position of the brake device on the engine, various purge (or flush) operations can be performed without fear of rotation of the rotor shaft 7 of the TNA in autorotation mode.

При снятии команды (стравливании давления из штуцера 5) плунжер 1 под действием пружины 2 возвращается в исходное состояние. Вал ротора 7 ТНА может начинать штатное функционирование. Отсутствие контакта между торцами T₁ и Т₂ в момент запуска, при работе и при выключении двигателя гарантирует многократную работу тормозного устройства (без износа торцов и без потери их уплотнительных свойств), что важно для двигателей многократного использования. При этом обеспечивается увеличение ресурса подшипников и других элементов ТНА за счет исключения вращения ротора при технологических операциях на двигателе, связанных с продувкой (проливкой) рабочим телом, создающих вращательный крутящий момент на рабочих колесах турбины или насосов.When you remove the command (bleed pressure from the nozzle 5), the plunger 1 under the action of the spring 2 returns to its original state. The shaft of the rotor 7 TNA can begin normal operation. The absence of contact between the ends of T ₁ and T ₂ at the time of starting, during operation and when the engine is turned off guarantees multiple operation of the brake device (without wear of the ends and without loss of their sealing properties), which is important for reusable engines. This ensures an increase in the resource of bearings and other elements of the ТНА due to the exclusion of rotor rotation during technological operations on the engine associated with purging (spilling) of the working fluid, creating rotational torque on the impellers of the turbine or pumps.

Claims (2)

1. Турбонасосный агрегат, имеющий в своем составе ротор и статор, отличающийся тем, что турбонасосный агрегат снабжен размещенным в статоре подвижным в осевом направлении управляемым плунжером с рабочим торцом, а на роторе предусмотрен ответный торец, причем в рабочем положении плунжера оба торца находятся в силовом контакте для удержания ротора в неподвижном положении.1. A turbopump assembly comprising a rotor and a stator, characterized in that the turbopump assembly is provided with an axially movable controllable plunger with a working end face arranged in the stator, and a reciprocal end face is provided on the rotor, both ends being in the power position in the working position of the plunger contact to keep the rotor stationary. 2. Турбонасосный агрегат по п. 1, отличающийся тем, что статор соединен с плунжером герметичным сильфоном, сообщенным со штуцером управляющего давления, со стороны, противоположной рабочему торцу. 2. The turbopump assembly according to claim 1, characterized in that the stator is connected to the plunger by a sealed bellows in communication with the control pressure fitting, from the side opposite to the working end.

Images