RU2099568C1

RU2099568C1 - Turbopump unit for supplying hydrogen

Info

Publication number: RU2099568C1
Application number: RU95121288A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Демьяненко; А.И. Дмитренко; А.В. Иванов; И.И. Калитин; А.Г. Кравченко; В.К. Першин; В.И. Петров
Original assignee: Конструкторское бюро химавтоматики
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-12-20

Abstract

FIELD: rocket engineering. SUBSTANCE: turbopump unit consists of major pump, acceleration pump, and booster pump. The major pump comprises several centrifugal stages. Booster pump is mounted on the shaft of the major pump and has axial- diagonal wheel and guide vanes. Acceleration pump consists of a screw and hydraulic turbine mounted on the outer diameter of the screw and has axial outlet. The outlet of the acceleration pump is connected with the inlet of the booster pump through a discharging pipe line. The guide vanes connect the outlet of the axial- diagonal wheel of the booster pump with the inlet to the major pump. The supplying pipe line of the hydraulic turbine connects the inlet of the hydraulic turbine with the flowing space of downstream of the working wheel of the booster pump, According to the second embodiment the turbopump unit also consists of major pump, acceleration pump and booster pump. The booster pump is self- contained and actuated by an individual turbine. The outlet of the acceleration pump is connected to the inlet of the booster pump through a discharging pipe line . The supplying pipe line of the major pump connects the outlet of the booster pump with the inlet of the major pump. The supplying pipe line of the hydraulic turbine connects the inlet of the hydraulic turbine with the flowing space downstream of the working wheel of the booster pump. EFFECT: enhanced delivery. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) ЖРД и ЯРД для подачи водорода. The invention relates to the field of rocket science and can be used in turbopump units (TNA) LRE and NRE for the supply of hydrogen.

Известен турбонасосный агрегат для подачи водорода с основным насосом и бустерным насосом. Бустерный насос имеет привод газообразным водородом от турбины. В этом агрегате отводящий трубопровод бустерного насоса соединен со входом основного насоса, а подводящий трубопровод турбины с рубашкой охлаждения камеры сгорания. Known turbopump unit for supplying hydrogen with a main pump and a booster pump. The booster pump is driven by hydrogen gas from the turbine. In this unit, the discharge pipe of the booster pump is connected to the inlet of the main pump, and the supply pipe of the turbine with the cooling jacket of the combustion chamber.

(Г. Г. Гахун, В.И.Баулин, В.А.Володин и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М, Машиностроение 1989. Стр.94. Рис.5.7. - прототип). (G. G. Gakhun, V. I. Baulin, V. A. Volodin and others. Design and design of liquid-propellant rocket engines. M, Mechanical Engineering 1989. P. 94. Fig.5.7. - prototype).

Известный турбонасосный агрегат имеет следующие недостатки. Known turbopump unit has the following disadvantages.

Для обеспечения кавитационной устойчивости основного насоса требуется применение высоконапорного бустерного насоса. Бустерный насос имеет коэффициент полезного действия (КПД) насоса и турбины ниже, чем у основного насоса. Обусловленная высоким напором мощность бустерного насоса в сочетании с пониженным КПД приводит к снижению экономичности системы подачи. Кроме того, для привода бустерного насоса требуется использование газовой турбины, что усложняет конструкцию и повышает массу бустерного насосного агрегата, ухудшает технические характеристики ТНА. To ensure cavitation stability of the main pump, the use of a high-pressure booster pump is required. The booster pump has a coefficient of performance (COP) of the pump and turbine lower than that of the main pump. Due to the high pressure, the power of the booster pump in combination with reduced efficiency leads to a decrease in the efficiency of the feed system. In addition, the use of a gas turbine is required to drive the booster pump, which complicates the design and increases the mass of the booster pump unit, worsens the technical characteristics of the TNA.

При подаче водорода без наддува бака необходимо обеспечить минимальные потери давления от бака до входа в бустерный насос, что достигается установкой бустерного насоса непосредственно на баке. Бустерный насос с высокой потребляемой мощностью обладает повышенной виброактивностью, а это неблагоприятно сказывается на динамической прочности бака. При давлении в баке, достаточном для бескавитационной работы бустерный насос может устанавливаться на двигателе. When supplying hydrogen without pressurization of the tank, it is necessary to ensure minimal pressure loss from the tank to the entrance to the booster pump, which is achieved by installing the booster pump directly on the tank. The booster pump with high power consumption has increased vibration activity, and this adversely affects the dynamic strength of the tank. At a pressure in the tank sufficient for cavitation-free operation, the booster pump can be installed on the engine.

Привод турбины газообразным водородом из рубашки охлаждения камеры сгорания приводит к необходимости выполнения достаточно сложной системы уплотнений для разделения полостей насоса и турбины, что усложняет конструкцию бустерного насоса. The drive of the turbine with gaseous hydrogen from the cooling jacket of the combustion chamber leads to the need for a rather complicated sealing system to separate the cavities of the pump and the turbine, which complicates the design of the booster pump.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и повышение антикавитационных качеств основного насоса, упрощение конструкции бустерного насоса и повышение надежности турбонасосного агрегата. The aim of the invention is to remedy these disadvantages and increase the anti-cavitation qualities of the main pump, simplify the design of the booster pump and increase the reliability of the turbopump.

Поставленная цель достигается тем, что в турбонасосном агрегате, содержащем основной водородный насос, бустерный насос с приводом от турбины, отводящий трубопровод бустерного насоса и подводящий трубопровод турбины бустерного насоса, между отводящим трубопроводом бустерного насоса и входом в основной насос установлен подкачивающий насос с общим с основным насосом валом и с направляющим аппаратом, соединяющим выход рабочего колеса подкачивающего насоса со входом основного насоса, при этом подводящий трубопровод турбины соединен с проточной частью за рабочим колесом подкачивающего насоса. При этом для привода бустерного насоса используется не газовая, а гидравлическая турбина, что упрощает конструкцию бустерного насоса. This goal is achieved by the fact that in the turbopump unit containing the main hydrogen pump, a booster pump driven by a turbine, a booster pump outlet pipe and a booster pump turbine inlet pipe, a booster pump is installed between the booster pump outlet pipe and the main pump inlet with a common pump the pump shaft and with a guide apparatus connecting the output of the impeller of the booster pump with the input of the main pump, while the turbine inlet pipe is connected to exact part of a booster pump impeller. At the same time, a hydraulic turbine is not used for driving the booster pump, but this simplifies the design of the booster pump.

На фиг.1 показана конструктивная схема предлагаемого турбонасосного агрегата, где 1 основной насос, 2 бустерный насос, 3 подкачивающий насос, 4 вал, 5 оседиагональное колесо, 6 направляющий аппарат, 7 - крыльчатка, 8 шнек, 9 гидротурбина, 10 отводящий трубопровод, 11 - подводящий трубопровод гидротурбины, 12 бак. Figure 1 shows a structural diagram of the proposed turbopump, where 1 main pump, 2 booster pump, 3 booster pump, 4 shaft, 5 axial wheel, 6 guide apparatus, 7 - impeller, 8 screw, 9 hydraulic turbine, 10 discharge pipe, 11 - inlet pipe of a hydraulic turbine, 12 tank.

Турбонасосный агрегат для подачи водорода состоит из основного насоса 1, бустерного насоса 2, подкачивающего насоса 3. Подкачивающий насос установлен на валу 4 основного насоса и содержит оседиагональное колесо 5 и направляющий аппарат 6. Напор и мощность подкачивающего насоса ниже напора и мощности основного насоса, благодаря чему, подогрев водорода в подкачивающем насосе значительно меньше, чем в основном насосе. Бустерный насос состоит из шнека 8 и гидротурбины 9, установленной на наружном диаметре шнека и имеет осевой вход. Благодаря использованию для привода бустерного насоса гидротурбины, отпадает необходимость использования узла разделительного уплотнения между насосом и турбиной. Выход бустерного насоса соединен отводящим трубопроводом 10 со входом подкачивающего насоса. Направляющий аппарат 6 соединяет выход оседиагонального колеса подкачивающего насоса и вход основного насоса. Подводящий трубопровод гидротурбины 11 соединяет вход гидротурбины с проточной полостью за рабочим колесом подкачивающего насоса. Основная часть подводящего трубопровода гидротубрины 11 установлена на внешней поверхности отводящего трубопровода 10 бустерного насоса, за счет чего подогретый в подкачивающем насосе водород захолаживается от холодного водорода. Благодаря этому на гидротурбину поступает жидкий водород, и исключается двухфазное течение водорода в гидротурбине, что повышает ее экономичность. The turbopump unit for supplying hydrogen consists of a main pump 1, a booster pump 2, a booster pump 3. The booster pump is mounted on the shaft 4 of the main pump and contains an axial gear 5 and a guide unit 6. The head and capacity of the booster pump are lower than the head and power of the main pump, thanks to moreover, the heating of hydrogen in the booster pump is much less than in the main pump. The booster pump consists of auger 8 and a hydraulic turbine 9 mounted on the outer diameter of the auger and has an axial inlet. Thanks to the use of a hydraulic turbine to drive the booster pump, there is no need to use a separation seal assembly between the pump and the turbine. The output of the booster pump is connected by a discharge pipe 10 to the inlet of the booster pump. The guide apparatus 6 connects the output of the axially diagonal wheel of the booster pump and the input of the main pump. The inlet pipe of the hydraulic turbine 11 connects the inlet of the hydraulic turbine with a flow cavity behind the impeller of the booster pump. The main part of the hydraulic turbine inlet pipe 11 is installed on the outer surface of the booster pump outlet pipe 10, due to which the hydrogen heated in the booster pump is cooled by cold hydrogen. Due to this, liquid hydrogen enters the hydroturbine, and the two-phase flow of hydrogen in the hydroturbine is excluded, which increases its efficiency.

Подкачивающий насос может быть выполнен состоящим из шнека, крыльчатки и направляющего аппарата. При этом наружный диаметр крыльчатки подкачивающего насоса для снижения напора, а следовательно, и мощности подкачивающего насоса по сравнению с напором и мощностью основного насоса выполнен меньше наружного диаметра крыльчатки основного насоса, благодаря чему подогрев водорода в подкачивающем насосе существенно меньше, чем в основном насосе. Из-за небольших по сравнению с основным насосом осевых сил на крыльчатке подкачивающего насоса, ее можно выполнить без уплотнительного пояска по основному диску, а разгрузку от осевых сил осуществить за счет подбора диаметров уплотнительных поясков крыльчаток основного насоса. Отсутствие уплотнения по основному диску крыльчатки уменьшает величину утечек и дополнительно улучшает антикавитационные качества крыльчатки подкачивающего насоса. The feed pump can be made up of a screw, an impeller and a guide apparatus. In this case, the outer diameter of the impeller of the booster pump to reduce the pressure and, consequently, the power of the booster pump in comparison with the pressure and power of the main pump is smaller than the outer diameter of the impeller of the main pump, due to which the heating of hydrogen in the booster pump is significantly less than in the main pump. Due to the small axial forces compared to the main pump on the impeller of the booster pump, it can be performed without a sealing girdle along the main disk, and unloading from axial forces can be done by selecting the diameters of the sealing girdles of the main pump impellers. The absence of a seal on the main impeller disk reduces the amount of leakage and further improves the anti-cavitation qualities of the booster pump impeller.

В другом варианте турбонасосного агрегата поставленная цель достигается тем, что в турбонасосном агрегате, содержащем основной водородный насос, бустерный насос с приводом от турбины, отводящей трубопровод бустерного насоса и подводящий трубопровод турбины бустерного насоса, между отводящим трубопроводом бустерного насоса и входом в основной насос установлен автономный подкачивающий насос, состоящий из оседиагонального колеса, направляющего агрегата и турбины. При этом обороты и напор подкачивающего насоса меньше оборотом и напора основного насоса, а подводящий трубопровод турбины бустерного насоса соединен с проточной полостью подкачивающего насоса. Для привода бустерного насоса используется не газовая, а гидравлическая турбина, что упрощает конструкцию бустерного насоса. In another embodiment of the turbopump unit, the goal is achieved in that in the turbopump unit containing the main hydrogen pump, a booster pump driven by a turbine, a booster pump outlet pipe and a booster pump turbine inlet pipe, an autonomous pump is installed between the booster pump outlet pipe and the main pump inlet a booster pump consisting of an axial wheel, a steering unit and a turbine. In this case, the revolutions and pressure of the booster pump are less than the revolution and pressure of the main pump, and the inlet pipe of the turbine of the booster pump is connected to the flow cavity of the booster pump. A hydraulic turbine is used to drive the booster pump, not a gas turbine, which simplifies the design of the booster pump.

На фиг.2 показана конструктивная схема предлагаемого трубонасосного агрегата, где 1 основной насос, 2 бустерный насос, 3 подкачивающий насос, 4 оседиагональное колесо, 5 направляющий аппарат, 6 шнек 7 - гидротурбина, 8 крыльчатка, 9 отводящий трубопровод, 10 подводящий трубопровод, 11 подводящий трубопровод гидротурбины, 12 бак. 13 насос окислителя. Figure 2 shows a structural diagram of the proposed pumping unit, where 1 main pump, 2 booster pump, 3 booster pump, 4 axial wheel, 5 guide apparatus, 6 auger 7 - a turbine, 8 impeller, 9 outlet pipe, 10 inlet pipe, 11 hydroturbine inlet pipe, 12 tank. 13 oxidizer pump.

Турбонасосный агрегат для подачи водорода состоит из основного насоса 1, бустерного насоса 2, подкачивающего насоса 3. Подкачивающий насос выполнен автономным, с приводом от собственной турбины и содержит оседиагональное колесо 4 и направляющий аппарат 5. Основной насос состоит из нескольких центробежных ступеней. Бустерный насос состоит из шнека 6 и гидротурбины 7, установленной на наружном диаметре шнека и имеет осевой вход. Благодаря использованию для привода бустерного насоса гидротурбины, отпадает необходимость использования узла разделительного уплотнения между насосом и турбиной. Выход бустерного насоса соединен отводящим трубопроводом 9 со входом подкачивающего насоса. Подводящий трубопровод основного насоса соединяет выход подкачивающего насоса и вход основного колеса. Подводящий трубопровод гидротурбины 11 соединяет вход гидротурбины с проточной полостью за рабочим колесом подкачивающего насоса. Основная часть подводящего трубопровода гидротубрины 11 установлена на внешней поверхности отводящего трубопровода 9 бустерного насоса, за счет чего подогретый в подкачивающем насосе водород захолаживается от холодного водорода. Благодаря этому на гидротурбину поступает жидкий водород, и исключается двухфазное течение водорода в гидротурбине, что повышает ее экономичность. The turbopump unit for supplying hydrogen consists of a main pump 1, a booster pump 2, a booster pump 3. The booster pump is autonomous, driven by its own turbine, and contains an axial wheel 4 and a guide unit 5. The main pump consists of several centrifugal stages. The booster pump consists of a screw 6 and a hydraulic turbine 7 mounted on the outer diameter of the screw and has an axial inlet. Thanks to the use of a hydraulic turbine to drive the booster pump, there is no need to use a separation seal assembly between the pump and the turbine. The output of the booster pump is connected by a discharge pipe 9 to the inlet of the booster pump. The main pump inlet pipe connects the output of the booster pump and the input of the main wheel. The inlet pipe of the hydraulic turbine 11 connects the inlet of the hydraulic turbine with a flow cavity behind the impeller of the booster pump. The main part of the supply pipe of the hydraulic turbine 11 is installed on the outer surface of the discharge pipe 9 of the booster pump, due to which the hydrogen heated in the booster pump is cooled by cold hydrogen. Due to this, liquid hydrogen enters the hydroturbine, and the two-phase flow of hydrogen in the hydroturbine is excluded, which increases its efficiency.

Использование автономных подкачивающего и основного насосов позволяет увеличить обороты и напор основного насоса. The use of autonomous booster and main pumps allows increasing the speed and pressure of the main pump.

При подаче водорода без наддува бака необходимо обеспечить минимальные потери давления от бака до входа в бустерный насос. В предлагаемой конструкции это достигается установкой бустерного насоса непосредственно на баке 12. Бустерный насос с малой потребляемой мощностью обладает пониженной виброактивностью, благодаря чему практически исключается воздействие бустерного насосного агрегата на конструкцию бака. При давлении в баке достаточном для бескавитационной работы бустерный насос может устанавливаться на двигателе. When supplying hydrogen without pressurization of the tank, it is necessary to ensure minimal pressure loss from the tank to the entrance to the booster pump. In the proposed design, this is achieved by installing a booster pump directly on the tank 12. The booster pump with low power consumption has reduced vibration activity, which virtually eliminates the effect of the booster pump unit on the tank design. When the pressure in the tank is sufficient for cavitation-free operation, the booster pump can be installed on the engine.

Из-за пониженных по сравнению с основным насосом оборотов подкачивающего насоса к нему может быть присоединен насос окислителя. Due to the reduced speed of the booster pump compared to the main pump, an oxidizer pump can be connected to it.

Водород из бака 12 поступает на вход бустерного насоса, и с выхода бустерного насоса на вход подкачивающего насоса, и далее через оседиагональное колесо 5 и направляющий агрегат 6 на вход основного насоса. На вход гидротурбины по подводящему трубопроводу 11 подводится водород, отбираемый из проточной части за рабочим колесом подкачивающего насоса. Водород после выхода гидротурбины смешивается на выходе бустерного насоса с основным потоком водорода бустерного насоса. Hydrogen from the tank 12 enters the inlet of the booster pump, and from the outlet of the booster pump to the inlet of the booster pump, and then through the axial wheel 5 and the guide unit 6 to the inlet of the main pump. At the inlet of the hydraulic turbine through the supply pipe 11, hydrogen is drawn, taken from the flow part behind the impeller of the booster pump. Hydrogen after the exit of the turbine is mixed at the outlet of the booster pump with the main stream of hydrogen of the booster pump.

Подкачивающий насос может быть выполнен состоящим из оседиагонального колеса, направляющего аппарата и крыльчатки. Подкачивающий насос может быть выполнен также в виде шнекоцентробежной ступени. The feed pump can be made up of an axially diagonal wheel, a guide vane and an impeller. The feed pump can also be made in the form of a screw centrifugal stage.

Подвод на привод гидротурбины из проточной части направляющего аппарата подкачивающего насоса слабо подогретого водорода и незначительный подогрев водорода в бустерном насосе из-за малой его мощности обеспечивают несущественный подогрев водорода, поступающего на вход подкачивающего насоса. Низкий подогрев водорода на входе в подкачивающий насос за счет снижения напора по сравнению с основным насосом обеспечивают высокие антикавитационные качества подкачивающего насоса. Поэтому для бескавитационной работы подкачивающего насоса достаточен перепад давлений, создаваемый бустерным насосом, не более 0,3 МПа. The supply to the hydraulic turbine drive from the flow part of the guide apparatus of the booster pump of weakly heated hydrogen and insignificant heating of hydrogen in the booster pump due to its low power provide insignificant heating of hydrogen supplied to the inlet of the booster pump. Low hydrogen heating at the inlet to the booster pump due to lowering pressure in comparison with the main pump provides high anti-cavitation qualities of the booster pump. Therefore, for the cavitation-free operation of the booster pump, the differential pressure created by the booster pump is sufficient, not more than 0.3 MPa.

Благодаря малой мощности бустерного насоса, обусловленной его малым напором, и связанной с этим малой виброактивности насоса, бустерный насос на баке исключает потери давления на входе в бустерный насос и позволяет применить прогрессивную схему подачи водорода без наддува бака. Бустерный насос с пониженной мощностью имеет пониженную массу. Due to the low power of the booster pump, due to its low pressure, and the associated low vibration activity of the pump, the booster pump on the tank eliminates pressure loss at the inlet of the booster pump and allows the use of a progressive hydrogen supply circuit without boosting the tank. The low power booster pump has a low weight.

Из-за пониженного напора подкачивающего насоса уменьшается температура и утечка водорода, поступающего на вход в рабочее колесо подкачивающего насоса, что улучшает его антикавитационные качества. Due to the reduced pressure of the booster pump, the temperature and leakage of hydrogen entering the impeller of the booster pump are reduced, which improves its anti-cavitation qualities.

Применение данного турбонасосного агрегата повышает антикавитационные качества водородного насоса, снижает массу и повышает надежность конструкции. The use of this turbopump unit increases the anti-cavitation qualities of a hydrogen pump, reduces weight and increases the reliability of the design.

Использование данного агрегата не требует освоения новых технологических процессов, специальных приспособлений и осуществляется известными приемами изготовления и сборки турбонасосных агрегатов. The use of this unit does not require the development of new technological processes, special devices and is carried out by well-known techniques for the manufacture and assembly of turbopump units.

Claims

1. A turbo pump unit for supplying hydrogen, comprising a main hydrogen pump, a booster pump driven by a turbine, a booster pump outlet pipe and a booster pump turbine inlet pipe, characterized in that at the inlet of the main pump, a booster pump is installed on its shaft, consisting of an axially-diagonal pump wheels and a guide vane, the input of which is connected to the discharge pipe of the booster pump, and the output through the guide vane with the input of the main pump, and the turbine inlet pipe n with running impeller cavity for the feed pump.

2. A turbo pump unit for supplying hydrogen, comprising a main hydrogen pump, a booster pump driven by a turbine, a booster pump outlet pipe and a booster pump turbine inlet pipe, characterized in that a stand-alone booster pump is installed between the outlet pipe of the booster pump and the inlet to the main pump, consisting of a turbine, an axial wheel and a guide vane, the inlet of which is connected to the outlet pipe of the booster pump, and the outlet to the inlet pipe of the main pump and feed line booster pump turbine is connected to the flow behind the impeller cavity feed pump.

3. The unit according to claim 2, characterized in that the inlet pipe of the turbine of the booster pump is connected to the outlet pipe of the booster pump.

4. The unit according to claims 2 and 3, characterized in that an oxidizer pump is connected to the booster pump.

5. The unit according to claims 1 to 4, characterized in that the main part of the turbine inlet pipe is installed on the outer surface of the booster pump outlet pipe.