ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2009 года по МПК F04D9/04 F04D13/04 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано преимущественно для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных включений, в любых отраслях техники.

Известен шнекоцентробежный насос, содержащий крыльчатку и шнек, установленные на одном валу и вращающиеся с одинаковыми угловыми скоростями (RU 2204737 С2, 20.05.2003). Это является недостатком насоса, т.к. для высокооборотного насоса шнек начинает лимитировать антикавитационные свойства насоса. Уменьшить частоту вращения шнека при помощи применения редуктора было бы нецелесообразно, т.к. привело бы к усложнению конструкции устройства и увеличению его веса. Кроме того, в этом насосе применен перепуск перекачиваемой жидкости из импеллера на вход в насос. Это дополнительно ухудшает антикавитационные свойства насоса, потому что проходящая через импеллер часть перекачиваемого продукта нагревается. Известно, что отрицательное влияние на антикавитационные свойства насоса оказывают:

- высокая температура перекачиваемого продукта,

- низкое давление,

- большие скорости вращения.

Известен шнекоцентробежный насос, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса (крыльчатки), шнек, вал и опорные узлы в виде подшипников скольжения и качения (RU 2094660 С1, 27.10.1997). Насос имеет плохие антикавитационные свойства из-за больших скоростей вращения шнека.

Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос, содержащий корпус, крыльчатку со ступицей, установленную на валу, и шнек (RU 2106534 С1, 10.03.98). Шнек улучшает антикавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими антикавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. Шнек обеспечивает улучшение антикавитационных свойств насоса, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет одинаковую с ним угловую скорость вращения. Это не позволяет спроектировать и эксплуатировать насос на очень больших оборотах, например, 40…100 тыс. об/мин, поэтому такие насосы в настоящее время практически не применяются. Наиболее подвержена кавитации внешняя входная кромка крыльчатки, имеющая относительно высокие скорости вращения и низкое давление перекачиваемого продукта.

Кроме того, утечки через заднее уплотнение крыльчатки сбрасываются в дренаж, что ухудшает КПД насоса.

Задачей изобретения является улучшение антикавитационных свойств насоса и повышение его КПД.

Технический результат достигается за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем крыльчатку со ступицей, установленную на валу, и шнек, согласно изобретению в ступице выполнены сквозные отверстия, внутри нее установлен дополнительный вал, на одном конце которого со стороны входа в крыльчатку установлен шнек, выполняющий функции гидротурбины и насоса, внутри дополнительного вала выполнено осевое отверстие, имеющее выход в полость внутри шнека и из него. Между валом и дополнительным валом может быть установлен, по меньшей мере, один промежуточный подшипник. Один или все промежуточные подшипники могут быть выполнены магнитными.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображен шнекоцентробежный насос;

на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;

на фиг.3 - схема работы шнека;

на фиг.4 - график запуска насоса.

Шнекоцентробежный насос (фиг.1) содержит вал 1. На валу 1 установлена крыльчатка 2 со ступицей 3. Вал 1 установлен на подшипнике 4 в корпусе 5. Дополнительный вал 6 проходит внутри ступицы 3 и установлен, по меньшей мере, на одном промежуточном подшипнике 7, который установлен внутри ступицы 3. Подшипник 7 может быть любого типа, например, игольчатый, или подшипник скольжения, или магнитная опора (магнитный подшипник). На одном конце дополнительного вала 6, со стороны входа в насос, установлен шнек 8, выполняющий одновременно функции гидротурбины и насоса. Шнек 8 имеет втулку 9. На переднем торце промежуточного вала 6 установлен болт 10. К корпусу 5 подстыкованы входной корпус 11, имеющий входную полость «В», и выходной корпус 12, имеющий выходную полость «Г». Между шнеком 8 и крыльчаткой 2 образована полость «Г». Со стороны заднего торца крыльчатки 2 выполнена разгрузочная полость «Е». На заднем торце ступицы 3 крыльчатки 2 выполнено заднее уплотнение 13, предназначенное для ограничения утечек перекачиваемого продукта и разгрузки осевой силы, действующей на подшипник 4. В передней части крыльчатки 2 выполнено переднее уплотнение 14. Переднее уплотнение 14 сводит до минимума утечки перекачиваемого продукта, перетекающие между корпусом 5 и крыльчаткой 2.

На втулке 9 шнека 8 и торце ступицы 3 выполнены контактные кольца 15 из материала, обладающего хорошими антифрикционными свойствами. Это необходимо потому, что практически на всех режимах частоты вращения крыльчатки 2 и шнека 8 значительно отличаются. Шнек 8 вращается почти на всех режимах со скоростью в несколько раз меньшей, чем крыльчатка 2 (фиг.4).

Внутри ступицы 3 выполнена внутренняя полость «Ж», на ступице 3 крыльчатки 2 выполнены отверстия «И», соединяющие полость внутри крыльчатки 2 и внутреннюю полость «Ж». Внутренняя полость «Ж» сообщается с осевым отверстием «К» внутри дополнительного вала 6. Осевое отверстие «К» сообщается с входом в шнек 8, т.е. с полостью «Д» радиальными отверстиями «Л» (фиг.2), полостью «М», внутри втулки 9 шнека 8, радиальными каналами «Н» и тангенциальными отверстиями «П». Это необходимо для перепуска части перекачиваемого продукта для привода шнека 8, который, в свою очередь, работает одновременно в режиме гидротурбины (сегнерово колесо) по прилегающей к втулке 9 части и в режиме насоса по периферийной части (фиг.3).

Осевое отверстие «К», радиальные отверстия «Л», полость «М», радиальные каналы «Н» и тангенциальные отверстия «П» образуют канал возврата части расхода перекачиваемого продукта на вход в шнек 8 в районе его втулки 9. Если бы был осуществлен перепуск этого расхода продукта на вход в шнек 8 на периферии, то это бы ухудшило антикавитационные характеристики насоса.

Пример работы насоса

При включении привода (не показан), раскручивается вал 1 с крыльчаткой 2. Внутри крыльчатки 2 и на выходе из него повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (10%…15%) через отверстия «И» поступает во внутреннюю полость «Ж», потом через осевое отверстия «К» и радиальные отверстия «Л» (фиг.1 и 2) подается в полость «М». Затем указанная часть продукта через радиальные каналы «Н» и тангенциальные отверстия «П» возвращается на вход в шнек 8 в районе его втулки 9, создавая крутящий момент по принципу сегнерова колеса. Внутренняя честь шнека 8, прилегающая к втулке, работает в режиме гидротурбины и раскручивает сама себя. Внешняя, периферийная часть шнека 8 работает в режиме насоса и поднимает давление перекачиваемого продукта в полости «Д», особенно на периферийной части, т.е. в зоне наиболее вероятного возникновения кавитации. За счет трения между контактными кольцами 15 частоты вращения крыльчатки 2 и шнека 8 сначала одинаковые или почти одинаковые (фиг.4): n₁=n₂

После того как крыльчатка 2 выйдет на расчетный режим работы, например n₁=80000 об/мин, то шнек 8 будет вращаться со значительно меньшей скоростью n₂=40000 об/мин, например.

Это происходит потому, что дополнительный вал 6 вследствие небольшого расхода перекачиваемого продукта, проходящего через шнек 8 (10%…15% от общего расхода), вращается значительно медленнее, чем вал 1, т.е. шнек 8 вращается с меньшими оборотами, чем крыльчатка 2. Это благоприятно сказывается на антикавитационных свойствах насоса в целом и одновременно позволяет спроектировать крыльчатку 2 для работы на очень больших скоростях, что уменьшает вес и габариты насоса. При падении давления на входе в насос во входной полости «В» частота вращения шнека 8 увеличивается.

Подбором диаметра отверстия «И» или «Л» можно настроить оптимальный режим работы шнека 8. Для этого в отверстия «И» или «Л» могут быть ввернуты калиброванные жиклеры (на фиг.1…3) не показано. Это позволит получать одинаковые антикавитационные характеристики насосов при их серийном изготовлении.

Разгрузочная полость «Е» в этой схеме не связана с внутренней полостью «Ж», это позволяет осуществлять доводку системы разгрузки осевых сил и антикавитационных свойств насоса независимо друг от друга, что облегчит доводку очень мощных насосов.

Утечки перекачиваемого продукта, которые прошли через заднее уплотнение 13, могут использоваться для смазки подшипника 4 или сбрасываться в дренаж или на вход в насос, если подшипник 4 не смазывается перекачиваемым продуктом. Давление в разгрузочной полости «Е» будет всегда меньше, чем в полости на выходе из насоса в выходной полости «Г», это позволит уменьшить осевую силу, действующую на подшипник 4 в сторону входа в насос и в идеальном случае разгрузить осевое усилие, действующее на подшипник 4, до нулевого значения. Кроме того, удается разгрузить осевые силы, действующие на дополнительный подшипник 7, т.к. осевые силы, создаваемые частями шнека 8, работающими в режиме гидротурбины и режиме насоса, направлены в противоположные стороны (фиг.3).

Применение изобретения позволяет:

1. Значительно улучшить антикавитационные свойства насоса за счет увеличения давления на входе в крыльчатку при запуске насоса или при уменьшении давления на его входе и уменьшения скорости вращения шнека по сравнению со скоростью вращения крыльчатки для предотвращения кавитации на входе в сам шнек.

2. Повысить КПД насоса за счет возврата утечек перекачиваемого продукта на вход в насос.

3. Облегчить доводку насоса путем отдельной доводки системы разгрузки осевых сил и антикавитационных свойств насоса.

4. Повысить прочность крыльчатки насоса за счет отказа от отверстий в его ступице и усиления ступицы,

5. Спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения крыльчатки.

6. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе.

7. Создать насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности за счет совмещения шнеком функций гидротурбины и насоса, что приведет к уменьшению числа деталей, упрощению сборки и уменьшению осевых габаритов шнекоцентробежного насоса.

8. Разгрузить осевые силы, действующие на ротор насоса, на подшипник и на дополнительный подшипник (и), т.к. осевые силы, создаваемые шнеком, незначительны.

9. Устранить утечки перекачиваемого продукта в дренаж.

10. Обеспечить при необходимости смазку и охлаждение всех подшипников насоса перекачиваемым продуктом.

Изобретение относится к насосостроению. Шнекоцентробежный насос содержит крыльчатку со ступицей, установленную на валу, и шнек. В ступице выполнены сквозные отверстия. Внутри ступицы установлен дополнительный вал, на одном конце которого со стороны входа в крыльчатку установлен шнек, выполняющий функции гидротурбины и насоса. Внутри дополнительного вала выполнено осевое отверстие, имеющее выход в полость внутри шнека и из него. Между валом и дополнительным валом установлен, по меньшей мере, один промежуточный подшипник. Один или все промежуточные подшипники выполнены магнитными. Изобретение направлено на улучшение антикавитационных свойств насоса и повышение его КПД. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Шнекоцентробежный насос, содержащий крыльчатку со ступицей, установленную на валу, и шнек, отличающийся тем, что в ступице выполнены сквозные отверстия, внутри нее установлен дополнительный вал, на одном конце которого со стороны входа в крыльчатку установлен шнек, выполняющий функции гидротурбины и насоса, внутри дополнительного вала выполнено осевое отверстие, имеющее выход в полость внутри шнека и из него.

2. Шнекоцентробежный насос по п.1, отличающийся тем, что между валом и дополнительным валом установлен, по меньшей мере, один промежуточный подшипник.

3. Шнекоцентробежный насос по п.2, отличающийся тем, что один или все промежуточные подшипники выполнен магнитными.