Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАПУСКА КРИОГЕННОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА С РАЗГРУЗОЧНОЙ ПОЛОСТЬЮ, СООБЩАЮЩЕЙСЯ СО ВХОДОМ В НАСОС, И КРИОГЕННЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС

Изобретение относится к насосостроению, а именно к центробежным насосам системы подачи криогенных компонентов топлива жидкостных ракетных двигателей установок (ЖРДУ), и может быть использовано в отраслях народного хозяйства, где применяются подобные насосы.

У высокоэффективных ЖРДУ с многократным запуском на орбите, работающих на криогенных компонентах топлива, с целью их экономии, запуск системы подачи надо производить практически без предварительного захолаживания магистралей, рабочих органов насоса и его вспомогательных трактов. Поэтому в начальный период запуска будет происходить интенсивное кипение поступающего во всасывающую магистраль, проточную часть насоса и в его вспомогательные тракты криогенного компонента топлива за счет отбора тепла от стенок магистрали и от конструкции узлов и деталей, образующих проточную часть насоса и его вспомогательные тракты. При таком запуске насоса существенное влияние на его работоспособность оказывает наличие парогазовой фазы, попадающей в процессе запуска непосредственно на вход центробежного колеса. Поступление паровых включений в проточную часть насоса может привести к снижению напора насоса либо к полной потере его работоспособности.

Известен способ запуска криогенного центробежного насоса системы топливоподачи ЖРДУ, в котором для обеспечения бескавитационной работы центробежного насоса в период запуска предварительно захолаживают подводящий трубопровод и насос (см. книгу: Козлов А.А., Новиков В.Н., Соловьев Е.В. "Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок". М.: Машиностроение, 1988, с. 66).

Известно также устройство криогенного центробежного насоса, реализующее запуск насоса с предварительным захолаживанием подводящего трубопровода и насоса, содержащее корпус с установленным на валу рабочим колесом, разгрузочная полость которого сообщена со входом в насос разгрузочными каналами (см. книгу: Овсянников Б. В. Теория и расчет насосов жидкостных ракетных двигателей. М.: Оборонгиз, 1960, фиг. 199 на вклейке между с. 238 и 239).

Недостатком этого способа запуска криогенного центробежного насоса и устройства криогенного центробежного насоса является то, что на захолаживание подводящего трубопровода и насоса требуется значительное время (не менее 10-15 с) и дополнительный расход криогенного компонента. Это существенно удлиняет время запуска насоса, снижает быстродействие ЖРДУ и ее экономичность, что делает неприемлемым использование этого способа запуска и насоса для ЖРДУ с многократным запуском на орбите.

В качестве прототипа способа запуска криогенного центробежного насоса и устройства насоса приняты способ запуска и реализующая его конструкция, показанная в книге Полиновского А.Ю. и Лещинера Л.Б. Авиационные центробежные насосные агрегаты, М.: Машиностроение, 1978, с. 132 - 133, рис. 10.4. Способ запуска центробежного насоса по устройству прототипа осуществляется следующим образом. Производят заливку насоса, при этом часть компонента направляют через проточную часть насоса, а другую часть компонента направляют через разгрузочные каналы в разгрузочную полость. В разгрузочную полость также направляют часть расхода компонента по вспомогательным трактам насоса для охлаждения и "смазки" подшипника и через уплотнения на ведущем диске рабочего колеса. После заливки начинают раскручивать насос. Давление за насосом повышается. Это вызывает повышение давления в разгрузочной полости насоса. Когда давление в разгрузочной полости насоса превысит давление на входе в рабочее колесо, изменяют движение компонента из разгрузочной полости: весь компонент из разгрузочной полости через разгрузочные каналы направляют на вход в насос, при этом еще до выхода на номинальный режим на вход насоса попадает "горячий" компонент с большой долей паров, что ведет к срыву насоса. Криогенный центробежный насос, принятый за прототип, содержит корпус с установленным на валу рабочим колесом, разгрузочная полость которого сообщена со входом в насос разгрузочными каналами.

Указанные способ и устройство экономичны по сравнению с аналогом, хорошо обеспечивают оптимальные условия "смазки" и охлаждения подшипника, а также возможность разгрузки ротора от осевых сил на номинальном режиме работы насоса, но имеют существенный недостаток. Он состоит в том, что в начальный момент запуска насоса без предварительного захолаживания происходит интенсивное кипение поступающего по подводящему трубопроводу, рабочим органам насоса и его вспомогательным трактам криогенного компонента, а рассматриваемые способ и устройство ни в коей мере не исключает возможность попадания на вход в центробежное колесо "горячего" компонента через разгрузочные каналы, что приводит к срыву режима работы насоса, т.е. к потере работоспособности насоса.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа запуска и конструкция криогенного центробежного насоса, которые бы повысили надежность запуска.

Техническим результатом решения данной задачи является повышение надежности запуска криогенного центробежного насоса при условии многократного запуска ЖРДУ на орбите с одновременным обеспечением экономичности запуска.

Технический результат достигается тем, что в способе запуска криогенного центробежного насоса с разгрузочной полостью, сообщающейся со входом в насос, заключающемся в заливке, раскрутке и прокачке компонента через проточную часть, вспомогательные тракты и разгрузочную полость с последующим возвратом компонента из разгрузочной полости на вход в насос, новым является то, что компонент из разгрузочной полости в область давления ниже входного направляют при заливке целиком, а при раскрутке и прокачке - ту часть, при которой газосодержание на входе в насос выше его критического значения, возврат всего компонента на вход в насос осуществляют при достижении на выходе из насоса давления, равного номинальному.

Способ реализуется конструкцией криогенного центробежного насоса, содержащего корпус с установленным на валу рабочим колесом, разгрузочная полость которого сообщена со входом в насос разгрузочными каналами, в нем разгрузочная полость дополнительно сообщена с областью давления ниже входного дренажным трубопроводом с установленным в нем нормально закрытым клапаном, при этом площадь проходного сечения дренажного трубопровода с клапаном составляет не менее половины суммарной площади проходного сечения разгрузочных каналов.

Существенным отличием технического решения предлагаемых способа и устройства являются новые признаки, позволяющие достигнуть повышения надежности запуска криогенного насоса без предварительного захолаживания его конструкции путем уменьшения количества "горячего" компонента, попадающего на вход центробежного колеса из разгрузочной полости в процессе запуска (за счет дополнительного отвода части компонента из разгрузочной полости по специально введенному дренажному трубопроводу с клапаном в область с давлением ниже входного от начала запуска насоса до момента достижения номинального давления на выходе из насоса). При этом выброс компонента через дренажную магистраль с клапаном из разгрузочной полости при заливке, раскрутке и прокачке насоса незначителен ввиду его быстротечности (не более 1 - 1,5 с).

В основу предлагаемого способа запуска криогенного насоса положены известные свойства центробежного насоса. Для центробежных насосов, работающих на компонентах со свободными газовыми включениями, наряду с давлением на входе в насос P_вх, не менее важной является величина относительного объемного содержания свободного газа в компоненте на входе в насос δ_вх Q_г/Q_ж, где Q_г - объемное количество газа в жидкости, Q_ж - объемный расход жидкости. Начиная с некоторого критического значения δ_вхкр, величина которого зависит от конструктивных и режимных параметров насоса и практически не зависит от давления P_вх, происходит срыв режима работы насоса. При этом увеличение давления P_вх даже до очень больших значений (P_вх >> 3 кгс/см²) не приводит к восстановлению нормальной работоспособности насоса (см. Т.И. Жукова "Влияние содержания газа в жидкости на всасывающую способность центробежного насоса" ИВУЗ серия "Нефть и газ" N 4, 1966). В этом случае определяющим параметром является не P_вх, а δ_вх. Значение P_вх влияет на характеристику насоса только при δ_вх< δ_вхкр. Для вновь проектируемого насоса величина δ_вхкр в первом приближении известна либо как параметр насоса, с которого моделировался разрабатываемый насос, либо по статистическим данным. Кроме того, величина δ_вхкр входит в число основных параметров насоса, которые подлежат обязательному уточнению при экспериментальной отработке и доводке разрабатываемого насоса. В предлагаемом изобретении используется и то свойство центробежных насосов, что с ростом частоты их вращения (а именно это и имеет место при запуске насоса) пропорционально увеличивается и величина критического газосодержания, при которой сохраняется его работоспособность (см. книгу "Высокооборотные лопастные насосы", под редакцией д.т.н. Овсянникова Б.В. и д. т. н. Чебаевского В.Ф. М., Машиностроение, 1975, с. 255-256, рис. 4.13, 4.15). Поэтому, чем в меньшем количестве пар в процессе запуска попадает на вход в центробежный насос и чем выше будут обороты в этот момент, тем надежнее запуск.

В устройстве центробежного насоса предлагаемый способ запуска позволяет реализовать введение дополнительного дренажного трубопровода с клапаном, сообщающего разгрузочную полость с областью давления ниже входного.

Как подтвердили результаты экспериментальной отработки предлагаемого способа запуска и конструкции насоса, площадь проходного сечения дренажного трубопровода с клапаном составляет не менее половины суммарной площади проходного сечения разгрузочных каналов. Это позволяет обеспечить на входе в насос величину объемного газосодержания меньше критического значения, т.е. повысить надежность запуска насоса. При проходном сечении дренажного трубопровода с клапаном, меньшим половины суммарной площади проходных сечений разгрузочных отверстий, удаление парогазовой фазы из разгрузочной полости в область с давлением ниже входного, как показали стендовые испытания, было недостаточным. Это было видно из того, что при существующей схеме двигателя с предложенным насосом при запуске возрастала температура в газогенераторе до опасной величины, т.к. в газогенератор попадала уменьшенная массовая доля кислорода (из-за срыва режима работы центробежного колеса в связи с тем, что парогазосодержание на входе в него превышало критическое значение). В результате надежность запуска насоса снижалась (см. фиг. 1, где показано влияние соотношение площадей F_др/F_разг каналов на температуру в газогенераторе во время запуска насоса при температуре кислорода на входе в насос 91К. Здесь F_др - площадь проходного сечения дренажного трубопровода с клапаном, а F_разг каналов - суммарная площадь разгрузочных каналов).

На фиг. 1 видно, что при соотношении F_др/F_разг каналов < 0,5 температура в газогенераторе (Т_гг) достигает опасных значений, которые могут привести к возгоранию конструкции в среде кислорода.

Таким образом, предлагаемые способ запуска и центробежный насос по сравнению с прототипом реализуют изложенное свойство центробежных насосов.

Сущность изобретения поясняется чертежом криогенного центробежного насоса, приведенным на фиг. 2, где
1 - корпус центробежного насоса,
2 - рабочее колесо насоса,
3 - разгрузочная полость,
4 - разгрузочные каналы, сообщающие разгрузочную полость 3 со входом в рабочее колесо 2,
5 - проточная часть насоса,
6 - вспомогательные тракты насоса,
7 - дренажный трубопровод,
8 - нормально закрытый клапан дренажного трубопровода, сообщающего разгрузочную полость 3 насоса с областью, давление которой ниже давления на входе в рабочее колесо 2,
9 - уплотнения.

Запуск по предлагаемому способу, реализуемому устройством криогенного насоса, показанного на фиг. 2, осуществляется следующим образом.

Перед запуском насоса открывают клапан 8 дренажного трубопровода 7 и до начала раскрутки насоса при его заливке весь компонент, поступающий в разгрузочную полость через разгрузочные каналы 4, вспомогательные тракты 6 и уплотнения 9, целиком направляют в область с давлением ниже входного.

При раскрутке насоса и прокачке компонента через проточную часть насоса 5, его вспомогательные тракты 6 и разгрузочную полость 3 из разгрузочной полости 3 в область с давлением ниже входного направляют ту часть компонента, при которой газосодержание на входе в насос выше его критического значения.

Возврат всего компонента из разгрузочной полости 3 на вход в насос осуществляют при достижении на выходе из насоса давления, равного номинальному, для чего закрывают клапан 8 на дренажном трубопроводе 7.

Данное изобретение при проверке в натурных условиях позволило обеспечить надежный запуск кислородного центробежного насоса в диапазоне температур кислорода от 90К до 98К, т.е. на 8^o выше температуры его кипения при нормальных условиях. При этом температура в газогенераторе T_гг была ~600^oC, а время раскрутки насоса - (0,3 - 0,4) с.