ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2003 года по МПК F04D29/04 F04D29/22 

Изобретение относится к области насосостроения и может найти применение в насосах и турбонасосных агрегатах.

Известен центробежный насос, рабочее колесо которого установлено в цилиндрические гидростатические подшипники, выполненные на буртах ведущего и ведомого колеса, причем колесо установлено на валу посредством зубчатой муфты [1] . Ведущий и ведомый диски рабочего колеса имеют цилиндрические опорные пояски, образующие с корпусом задисковые пазухи осевого подшипника для обеспечения разгрузки колеса от осевых сил и его самоустановки в корпусе.

Недостатками этого центробежного насоса являются:
- необходимость обеспечения гидростатических подшипников специальными устройствами, сообщающими камеры с полостью нагнетания;
- невысокая несущая способность таких подшипников из-за размеров диаметров буртов, близких к размерам входного диаметра колеса в сравнении с наружным диаметром насосного колеса;
- невысокий объемный кпд как следствие потери объемов перекачиваемой среды, идущих как на питание и охлаждение радиальных гидростатических подшипников, так и на обеспечение осевой самоустановки колеса.

Известен также центробежный насос, радиальные опоры которого выполнены в виде радиальных зазоров между втулками и направляющими гильзами буртов колеса, которое приводится во вращение при помощи торсионного вала, связанного с колесом посредством сферического шлицевого соединения [2].

Недостатками этого центробежного насоса являются невысокая несущая способность таких радиальных опор из-за небольших размеров диаметров буртов, близких к размерам входного диаметра колеса в сравнении с наружным диаметром насосного колеса, а также отсутствие устройства разгрузки от осевой силы. Осевая симметрия колеса не является гарантией отсутствия осевой силы при перекачивании насосом газонасыщенных жидкостей.

В качестве прототипа выбран центробежный насос, содержащий корпус, вал с установленным на нем подвижным в осевом направлении рабочим колесом разгруженного типа и цилиндрические опоры, расположенные на буртах ведущих и ведомых дисков рабочего колеса по обе его стороны. Цилиндрические опоры выполнены в виде втулок Г-образной формы. Цилиндрические относительно оси насоса части этих втулок образуют цилиндрические радиальные опоры колеса, а торцевые - осевые разгрузочные устройства колеса. При этом торцевые части Г-образных втулок со стороны колеса на минимальном их диаметре снабжены кольцевыми выступами, образующими с соответствующими торцами колеса кольцевые разгрузочные камеры осевых разгрузочных устройств колеса [3].

Недостатками такого центробежного насоса являются большие динамические нагрузки при пуске и работе, связанные с наличием жесткой связи вала с колесом, которое в начальный момент, перед пуском лежит своими буртами на втулках корпуса с эксцентриситетом относительно оси вала, равным радиальному зазору в радиальной опоре. Кроме того, опоры имеют низкую несущую способность и жесткость: осевые разгрузочные устройства - из-за малых размеров разгрузочных камер, а радиальные - из-за их малых диаметральных размеров. Нерациональным в общем случае является также совмещение в цилиндрических опорах радиальных опорах и осевых разгрузочных устройств колеса путем выполнения опор в виде втулок Г-образной формы. Такое исполнение имеет смысл, если кольцевые разгрузочные камеры используются для обеспечения осевой устойчивости колеса при воздействии на него малых по величине несбалансированных осевых сил. Для сбалансирования значительных осевых сил, а также для получения высокой жесткости осевых разгрузочных устройств необходимо иметь камеры больших радиальных размеров.

Втулки для опор изготавливаются из дорогостоящих стойких к абразивному износу материалов. Поэтому для осевых разгрузочных устройств с большим диапазоном регулирования по осевой силе целесообразно цилиндрические опоры выполнять в виде отдельных деталей, образующих узлы радиальных опор, отдельные от узлов осевых разгрузочных устройств колеса. Это упрощает конструкцию насоса и снижает его стоимость.

Известно, что несущая способность в подшипниковой паре зависит прямо пропорционально от диаметра вала, длины подшипника и давления в слое жидкости между поверхностями в подшипниковой паре. Для подшипника с торцевым подводом смазки величина этого давления зависит в определенной мере и от величины перепада давления в зазоре между поверхностями подшипниковой пары по длине подшипника [4].

Опыт эксплуатации высоконапорных центробежных насосов показал, что фактором, ограничивающим их ресурс, является вибрация ротора, возникающая от воздействия радиальных сил, от остаточного дисбаланса ротора, от гидравлической неуравновешенности в проточной части колеса и при взаимодействии колеса и отвода. Это может вызывать усталостные поломки дисков и лопаток рабочих колес, лопаток направляющих аппаратов, обрыв крепежных деталей статора [5] . Избежать этих явлений можно, лишь увеличивая несущую способность и гидростатическую жесткость радиальных и осевых опор ротора.

Технической задачей предложенного изобретения является упрощение конструкции насоса и повышение ресурса работы насоса за счет повышения несущей способности и жесткости цилиндрических опор и осевых разгрузочных устройств колеса.

Поставленная задача решается тем, что предлагается конструкция центробежного насоса, содержащего корпус, вал с установленным на нем подвижным в осевом направлении рабочим колесом разгруженного типа и цилиндрические опоры, расположенные на буртах ведущего и ведомого дисков рабочего колеса по обе его стороны и образующие с колесом радиальные опоры и осевые разгрузочные устройства. При этом бурты ведущего и ведомого дисков рабочего колеса размещены на наружном диаметре рабочего колеса. Цилиндрические опоры колеса выполнены в виде опорных и упорных втулок. Опорные втулки расположены в корпусе и охватывают с радиальным зазором бурты колеса, образуя радиальные опоры колеса. Упорные втулки, минимальный диаметр которых равен диаметру входа в колесо, размещены на торцевых поверхностях корпуса насоса со стороны рабочего колеса с торцевыми щелями относительно него, образуя осевые разгрузочные устройства. Площадь проходного сечения торцевой щели в каждом из осевых разгрузочных устройств не превышает площадь проходного сечения радиального зазора в радиальной опоре на стороне этого разгрузочного устройства.

Рабочее колесо центробежного насоса может иметь прямоугольную форму в своем диаметральном сечении и может быть связанным с валом устройством, допускающим осевое и угловое смещение колеса, например сферическим шлицевым соединением.

Положительный эффект в части повышения ресурса работы достигается тем, что
- радиальные опоры выполняются на большем диаметре и потому обладают большей несущей силой, зависящей прямо пропорционально от диаметра опоры [4] ;
- торцевые зазоры в разгрузочных устройствах колеса могут выполняться малых размеров из-за большой статической жесткости этих устройств благодаря максимально возможным размерам площадей симметрично расположенных по обе стороны колеса разгрузочных камер;
- обеспечивается максимальная жесткость осевых разгрузочных устройств последовательным ростом сопротивления щелей в направлении течения среды. Это обусловлено тем, что наибольшая площадь проходного сечения торцевого зазора в каждом осевом разгрузочном устройстве колеса не больше площади проходного сечения радиальной щели каждой радиальной опоры, расположенной на стороне этого разгрузочного устройства;
- вал привода разгружен от осевых и радиальных нагрузок, так как рабочее колесо связано с валом устройством, допускающим осевое и угловое смещение колеса.

Положительный эффект в части упрощения конструкции, снижения стоимости изготовления и удобства эксплуатации достигается тем, что
- радиальные опоры из-за больших диаметральных размеров обладают высокой несущей способностью и, являясь к тому же подшипниками скольжения с торцевым подводом смазки, а значит и с надежным обеспечением теплосъема в подшипниковой паре, могут использоваться для высокооборотных насосных агрегатов;
- объективно необходимые в насосах объемные потери перекачиваемой среды в виде утечек для питания подшипников и устройств осевой разгрузки в данной конструкции низкие из-за большой осевой жесткости устройств разгрузки осевой силы. Кроме того, один и тот же объем потерь используется вначале для смазки радиальных опор, а затем для обеспечения осевой уравновешенности колеса;
- величина дисковых потерь колеса на жидкостное трение минимально из-за минимальной поверхности колеса прямоугольной формы сечения;
- исполнение колеса прямоугольной формы в его диаметральном сечении позволяет упростить технологию изготовления колеса и корпуса насоса.

Таким образом, конструктивно такие насосы проще высокооборотных насосов традиционного исполнения и требуют меньших затрат на проектирование и отработку. Использование таких насосов в высокооборотных агрегатах позволит снизить их вес и габариты.

На чертеже представлен разрез предлагаемого центробежного насоса с узлами радиальных и осевых опор.

Центробежный насос содержит корпус 1, ротор, включающий вал 2 с рабочим колесом 3, имеющим наружный диаметр D и диаметр входа d в колесо, опорые втулки 4 в корпусе 1 и цилиндрические опорные пояски 5 на буртах ведущего 6 и ведомого 7 дисков колеса с текущими радиальными зазорами h_p между ними, а также упорные втулки 8, 9 с кольцевыми выступами, отстоящие от соответствующих торцев колеса 3 с текущими осевыми зазорами h_т и образующие между колесом и корпусом кольцевые разгрузочные камеры 10, 11 осевых разгрузочных устройств. В колесе 3 выполнено разгрузочное отверстие 10. Для разгрузки вала от осевых и радиальных нагрузок рабочее колесо 3 может быть связано с валом 2 устройством 11, выполненным в виде сферического шлицевого соединения, допускающего осевое и угловое смещение колеса.

Устройство работает следующим образом.

При вращении колеса 3 насоса в щелевых зазорах h_р между опорными втулками 4 и подвижными цилиндрическими опорными поясками 5 радиальных опор на бурте ведущего 6 и ведомого 7 дисков колеса 3 возникают гидродинамические несущие силы и в дополнение к ним действуют гидростатические несущие силы, обусловленные осевым перепадом давления на цилиндрической опоре из-за возникающей разницы давлений между входом и выходом колеса. Эта же разница давлений между входом и выходом колеса является источником обеспечения осевого равновесия колеса с образованием текущих осевых зазоров h_т за счет воздействия осевых сил в разгрузочных камерах 10, 11 осевых разгрузочных устройств рабочего колеса 3.

Так как насосное колесо 3 может быть связано с валом 2 посредством сферического шлицевого соединения 13, то его положение в корпусе насоса связано лишь с радиальными и осевыми силами, действующими на колесо, и определяется размерными характеристиками нагружаемых его элементов. Таким образом, вал привода от взаимодействия с колесом разгружен от осевых и радиальных нагрузок.

Использование изобретения позволит упростить конструкцию насоса, повысить несущую силу и жесткость его цилиндрических и осевых опор уже при небольших перепадах давления уплотняемой среды, увеличить ресурс работы насоса, а также повысить его объемный кпд.

Использование этой конструкции, например, в турбонасосных агрегатах позволит повысить их технологичность, общую надежность агрегатов, а также кпд насосов на 3-6%.

Источники информации
1. А.с. СССР 1139896, кл. F 04 D 29/04.

2. А.с. СССР 1828951, кл. F 04 D 29/04.

3. А.с. СССР 302499, кл. F 04 D 29/04.

4. Д.Мур. Основы применения трибоники. М.: Мир, 1978, с.433.

5. В.А.Марцинковский. Бесконтактные уплотнения роторных машин. М.: Машиностроение, 1980, с.13.

Изобретение относится к насосостроению и может найти применение в насосах и турбонасосных агрегатах. Центробежный насос содержит корпус, вал с установленным на нем подвижным в осевом направлении рабочим колесом разгруженного типа и цилиндрические опоры, расположенные на буртах ведущего и ведомого дисков рабочего колеса по обе его стороны и образующие с колесом радиальные опоры и осевые разгрузочные устройства. Бурты ведущего и ведомого дисков размещены на наружном диаметре рабочего колеса. Цилиндрические опоры колеса выполнены в виде опорных и упорных втулок. Опорные втулки расположены в корпусе и охватывают с радиальным зазором бурты рабочего колеса, образуя радиальные опоры. Упорные втулки, минимальный диаметр которых равен диаметру входа в это колесо, размещены на торцевых поверхностях корпуса со стороны рабочего колеса с торцевыми щелями относительно него, образуя осевые разгрузочные устройства. Площадь проходного сечения каждой торцевой щели не превышает площадь проходного сечения радиального зазора в радиальной опоре на стороне этого разгрузочного устройства. Рабочее колесо в диаметральном сечении имеет прямоугольную форму. Изобретение направлено на упрощение конструкции насоса и повышение ресурса его работы. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Центробежный насос, содержащий корпус, вал с установленным на нем подвижным в осевом направлении рабочим колесом разгруженного типа, и цилиндрические опоры, расположенные на буртах ведущего и ведомого дисков рабочего колеса по обе его стороны и образующие с колесом радиальные опоры и осевые разгрузочные устройства, отличающийся тем, что бурты ведущего и ведомого дисков размещены на наружном диаметре рабочего колеса, цилиндрические опоры которого выполнены в виде опорных и упорных втулок, при этом опорные втулки расположены в корпусе и охватывают с радиальным зазором бурты рабочего колеса, образуя радиальные опоры, а упорные втулки, минимальный диаметр которых равен диаметру входа в это колесо, размещены на торцевых поверхностях корпуса со стороны рабочего колеса с торцевыми щелями относительно него, образуя осевые разгрузочные устройства, при этом площадь проходного сечения каждой торцевой щели не превышает площадь проходного сечения радиального зазора в радиальной опоре на стороне этого разгрузочного устройства. 2. Центробежный насос по п.1, отличающийся тем, что рабочее колесо в диаметральном сечении имеет прямоугольную форму. 3. Центробежный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что рабочее колесо связано с валом устройством, допускающим осевое и угловое смещение колеса, например, сферическим шлицевым соединением.