ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2011 года по МПК F04D1/04 

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в любых отраслях техники для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных включений, в том числе для перекачки криогенных жидкостей. Предпочтительно насос использовать в турбонасосных агрегатах (THA) жидкостных ракетных двигателей, в том числе на криогенных компонентах.

Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ на изобретение №2094660, содержащий разъемный корпус, центробежные рабочие колеса, шнек, вал и опорные узлы в виде подшипников скольжения и качения. Насос имеет плохие кавитационные свойства.

Наиболее близким к изобретению является шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, 10.03.1998, содержащий корпуса, шнек, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением. Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежная крыльчатка. Шнек обеспечивает повышение кавитационных свойств насоса, но он механически связан с рабочим колесом насоса и имеет с ним одинаковую угловую скорость вращения. Это не позволяет эксплуатировать насос на очень больших оборотах, например, 40…100 тыс. об/мин, поэтому такие насосы в настоящее время не применяются.

Задачей создания изобретения является улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки от осевых сил вала насоса.

Технический результат достигается тем, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпуса, шнек, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, согласно изобретению шнек установлен на валу с возможностью проскальзывания, перед шнеком установлена жестко соединенная с ним гидротурбина, а перед гидротурбиной установлен дополнительный шнек, имеющий внешнее бандажное кольцо, жестко соединенное с центробежным рабочим колесом. На дополнительном шнеке может быть установлено внутреннее бандажное кольцо. Внутренний диаметр дополнительного шнека может составлять 0,4…0,95 от его внешнего диаметра, а внешний диаметр гидротурбины - от 0,4 до 0,6 внешнего диаметра дополнительного шнека. Внутри ступицы могут быть выполнены внутренняя полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежною рабочего колеса. Внутри сквозных отверстий могут быть установлены центробежные регуляторы расхода.

- на фиг.1 изображен шнекоцентробежный насос, продольный разрез;

- на фиг.2 - эпюры давления в сечениях на входе в насос, за дополнительным шнеком, за гидротурбиной, за шнеком;

- на фиг.3 - шнеки и гидротурбина при выполнении дополнительного шнека с внутренним бандажным кольцом;

- на фиг.4 - сечение А-А на фиг.1;

- на фиг.5 - узел Б на фиг.1, первый вариант;

- на фиг.6 - то же, второй вариант;

- на фиг.7 - то же, третий вариант;

- на фиг.8 - конструкция поршня.

Шнекоцентробежный насос (фиг.1…8) содержит вал 1, который выполнен пустотелым. Вал 1 установлен в подшипнике 2, который установлен в заднем корпусе 3. На валу 1 установлено центробежное рабочее колесо 4. Центробежное рабочее колесо 4 содержит ступицу 5, лопасти 6, переднюю стенку 7 и полости 8 между лопастями 6 и передней стенкой 7. Шнекоцентробежный насос содержит передний корпус 9, входной корпус 10 с входной полостью 11. Со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 на валу 1 установлен в возможностью окружного проскальзывания относительно вала 1 шнек 12. Перед шнеком 12 установлена гидротурбина 13, жестко соединенная с эти шнеком 12. Перед гидротурбиной 13 установлен дополнительный шнек 14, имеющий внешнее бандажное кольцо 15, жестко соединенное с центробежным рабочим колесом 4, точнее - с его передней стенкой 7 для передачи крутящего момента с вала 1 на центробежное рабочее колесо 4 и далее на дополнительный шнек 14.

К заднему корпусу 3 пристыкован выходной корпус 16, имеющий полость 17.

Со стороны входа в центробежное рабочее колесо 4 выполнено переднее уплотнение 18. Между дополнительным шнеком 14 и гидротурбиной 13 образуется полость 19, между гидротурбиной 13 и шнеком 12 - полость 20, между шнеком 12 и центробежным рабочим колесом 4 - полость 21. Со стороны заднего торца центробежного рабочего колеса 4 на его ступице 5 выполнены заднее уплотнение 22 и разгрузочная полость 23, защищенная по валу 1 уплотнением 24. Перед гидротурбиной 13 и за шнеком 12 установлены фрикционные кольца 25. Дополнительный шнек 14 может быть выполнен с внутренним бандажным кольцом 26 (фиг.3).

В ступице 5 центробежного колеса 2 выполнена внутренняя полость 27 и сквозные отверстия 28 (фиг.1 и 4). В валу 1 выполнены радиальные отверстия 29. При этом отверстия 29 соединяют полость 30 внутри вала 1 с внутренней полостью 27, а отверстия 28 соединяют внутреннюю полость 27 с полостями 8 внутри центробежного рабочего колеса 4 и предназначены для возврата утечек перекачиваемого продукта, прорвавшихся через заднее уплотнение 22 в центробежное рабочее колесо 4, и снижения давления в разгрузочной полости 23 для уменьшения осевых сил, действующих на вал 1 и подшипник 2. Внутренний диаметр D₂ дополнительного шнека 14 может составлять 0,4…0,95 от его внешнего диаметра D₁, а внешний диаметр D₃ гидротурбины 13 - от 0,4 до 0,6 внешнего диаметра D₁ дополнительного шнека 14.

Эпюры давлений в полостях 11, 18, 19 и 20 показаны на фиг.2. Более детально конструкция шнеков 12 и 14 и гидротурбины 12 показана на фиг.3. Отверстия 27 выполнены или под углом 90°, т.е. радиально (фиг.5 и 6) или перпендикулярно к оси насоса (фиг.7), или под острым углом к оси насоса (т.е. под углом менее 90°). Это исключит движение вводимых подогретых утечек перекачиваемого продукта в сторону входа насоса и тем самым улучшит его кавитационные свойства. На валу 1 против внутренней полости 27 выполнены радиальные отверстия 29, которые соединяют полость 27 с полостью 30 вала 1. Подшипник 2 уплотнен с обеих сторон уплотнениями (на чертежах не изображены). Между подшипником 2 и уплотнениями сформирована полость, которая соединена с полостью 30. Наиболее подверженное кавитации место 35 находится на входе в центробежное рабочее колесо 4, в месте стыковки лопастей 6 с передней стенкой 7, на максимальном диаметре.

Внутри отверстий 28 могут быть установлены центробежные регуляторы расхода 36 (фиг.4…5). Центробежные регуляторы расхода 36 выполнены с возможностью уменьшения расхода перекачиваемого продукта через них при увеличении скорости вращения вала 1 насоса.

Конструкции центробежных регуляторов расхода 36 приведены на фиг.4…6. Регулятор расхода 36 содержит седло 37, клапан 38 со штоком 39 и поршнем 40. Внутри седла 37 установлена пружина 41, упирающаяся в поршень 40 и создающая усилие, направленное к оси насоса ОО, т.е. открывающее центробежный регулятор расхода 36. В поршне 40 выполнены отверстия 42 (фиг.8) для возврата части расхода перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4.

При запуске насоса приводом (на фиг.1…8 не показано), раскручивается вал 1 с центробежным рабочим колесом 4 и с дополнительным шнеком 14. Давление за дополнительным шнеком 14 повышается. Поток перекачиваемого продукта относительно высокого давления раскручивает гидротурбину 13, которая раскручивает шнек 12. Шнек 12 повышает давление на входе в центробежное рабочее колесо 4, тем самым предотвращая кавитацию на его входе (в наиболее подверженном кавитации месте 35). Кавитационные свойства шнеков всегда лучше, чем у центробежных рабочих колес. Для значительного улучшения кавитационных свойств шнека 12 он спроектирован так, чтобы работал с частотой вращения меньшей, чем центробежное рабочее колесо 4, примерно в 2…3 раза, что технически несложно за счет проектирования гидротурбины 13 пониженной мощности.

Для этого надо выполнить их геометрические размеры в соответствии со следующими отношениями: внутренний диаметр D₂ дополнительного шнека 14 должен составлять 0,4…0,95 от его внешнего диаметра D₁, а внешний диаметр D₃ гидротурбины 13 - от 0,4 до 0,6 внешнего диаметра D₁ дополнительного шнека 14 (фиг.3), т.е.:

D₂=(0,4…0,95)D₁;

D₃=(0,4…0,6)D₁.

Диаметр втулки Dвт турбины 13 целесообразно выполнять Dвт≤D₂.

Такое соотношение размеров обеспечивает максимально давление (фиг.2) в точке 35 полости 21 за шнеком 12, т.е. в месте, наиболее опасном с точки зрения кавитации.

Внутри центробежного рабочего колеса 4 и на выходе из него, т.е. в полости 17, повышается давление перекачиваемого продукта, и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 22 поступает в разгрузочную полость 23, проходит через подшипник 2 в полость 30, потом через радиальные отверстия 29 - в полость 27 и через отверстия 28 возвращается в полости 8 центробежного рабочего колеса 4. Шнек 12 повышает давление в полости 21. Перепуск подогретых утечек организован внутрь центробежного рабочего колеса 4.

При наличии центробежного регулятора расхода 36 при увеличении скорости вращения рабочего колеса 4 расход утечек перекачиваемого продукта, используемого для смазки подшипника, в % отношении уменьшается. Это позволит повысить КПД насоса и одновременно улучшить его кавитационные свойства. Естественно, что абсолютный расход утечек перекачиваемого продукта, используемого для смазки, не уменьшается, а остается прежним или немного увеличивается. Это происходит за счет того, что центробежные силы, действующие на клапан 38, увеличиваются, клапан 38 сжимает пружину 40, зазор между клапаном 38 и седлом 37 уменьшается. Это позволит повысить КПД насоса и одновременно улучшить его кавитационные свойства, т.к. ограничит перепуск подогретого перекачиваемого продукта внутрь центробежного рабочего колеса 4 и препятствует уменьшению его объемного КПД.

Применение изобретения позволяет:

1. Значительно улучшить кавитационные свойства шнекоцентробежного насоса, входящего в состав ТНА, за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения шнека, расположенного непосредственно на входе в центробежное рабочее колесо.

2. Обеспечить разгрузку осевых сил, действующих на вал.

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в том числе, в ракетной технике. Насос содержит корпуса 3, 9, 10, 16, шнек 12, центробежное рабочее колесо 4 со ступицей 5, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу 1. Вал 1 установлен в подшипнике 2, защищенном уплотнением. Шнек 12 установлен на валу 1 с возможностью проскальзывания. Перед шнеком 12 установлена жестко соединенная с ним гидротурбина 13, а перед гидротурбиной 13 установлен дополнительный шнек 14, имеющий внешнее бандажное кольцо 15, жестко соединенное с колесом 4. На дополнительном шнеке 14 может быть установлено внутреннее бандажное кольцо. Внутренний диаметр дополнительного шнека 14 составляет 0,4…0,95 от его внешнего диаметра D₁, а внешний диаметр гидротурбины 13 от 0,4 до 0,6 внешнего диаметра D₁ дополнительного шнека 14. Внутри ступицы 5 выполнены внутренняя полость 27 и сквозные отверстия 28, соединяющие полость 27 ступицы с полостями 8 колеса 4. Внутри отверстий 28 установлены центробежные регуляторы расхода 36. Изобретение направлено на улучшение кавитационных свойств насоса, входящего в состав турбонасосного агрегата, и обеспечение разгрузки вала от осевых сил. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Шнекоцентробежный насос, содержащий корпуса, шнек, центробежное рабочее колесо со ступицей, имеющей внутреннюю полость, установленное на валу, который установлен в подшипнике, защищенном уплотнением, отличающийся тем, что шнек установлен на валу с возможностью проскальзывания, перед шпеком установлена жестко соединенная с ним гидротурбина, а перед гидротурбиной установлен дополнительный шнек, имеющий внешнее бандажное кольцо, жестко соединенное с центробежным рабочим колесом.

2. Шнекоцентробежный насос по п.1, отличающийся тем, что на дополнительном шнеке установлено внутреннее бандажное кольцо.

3. Шнекоцентробежный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутренний диаметр дополнительного шнека составляет 0,4…0,95 его внешнего диаметра, а внешний диаметр гидротурбины от 0,4 до 0,6 внешнего диаметра дополнительного шнека.

4. Шнекоцентробежный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутри ступицы выполнены внутренняя полость и сквозные отверстия, соединяющие внутреннюю полость ступицы с полостью внутри центробежного рабочего колеса.

5. Шнекоцентробежный насос по п.4, отличающийся тем, что внутри сквозных отверстий установлены центробежные регуляторы расхода.