ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС Российский патент 2012 года по МПК F04D9/04 F04D13/04 

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 жидкостных ракетных двигателей, в том числе на криогенных компонентах.

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

Известен шнекоцентробежный насос по патенту РФ №2106534, МПК 6 F04D 13/04, опубл. 10.03.1998, прототип. Этот шнекоцентробежный насос содержит корпус, центробежное рабочее колесо и шнек, установленные на валу. Шнек улучшает кавитационные свойства насоса, т.к. он обладает лучшими кавитационными свойствами, чем центробежное рабочее колесо. 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.

Задачи создания изобретения - улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что в шнекоцентробежном насосе, содержащем корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, который установлен в основном подшипнике, защищенном уплотнением с образованием между ними полости, и шнек, согласно изобретению внутри ступицы на радиальном и упорном промежуточных подшипниках установлен с образованием зазора промежуточный вал, а внутри него на радиальном и упорном внутренних подшипниках с образованием зазора установлен внутренний вал, имеющий осевое несквозное отверстие, на конце внутреннего вала со стороны входа в насос установлен первый шнек, на противоположном конце внутреннего вала закреплено рабочее колесо первой гидротурбины, которое установлено внутри вала, на промежуточном валу со стороны входа между первым шнеком и центробежным рабочим колесом установлен второй шнек, на другом конце промежуточного вала установлено рабочее колесо второй гидротурбины, на центробежном рабочем колесе выполнено заднее уплотнение, под которым выполнена разгрузочная полость, вал выполнен пустотелым, содержащим переднюю, среднюю и заднюю полости, между средней и задней полостями установлена первая гидротурбина, между средней и передней полостями - вторая гидротурбина, причем внутренний упорный подшипник установлен внутри соплового аппарата второй гидротурбины, разгрузочная полость соединена отверстием, выполненным в валу со средней полостью, полость между основным подшипником и уплотнением с одной стороны соединена каналом с выходом насоса, а с другой - с задней полостью, в ступице выполнены сквозные отверстия, соединяющие переднюю полость с полостью центробежного рабочего колеса. На внутреннем валу выполнены радиальные отверстия, сообщающее осевое несквозное осевое отверстие с зазором между внутренним и промежуточным валами. В канале, сообщающем выход из насоса с полостью между подшипником и уплотнением, установлен калиброванный жиклер. Шнеки выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…4, где:

- на фиг.1 приведен чертеж шнекоцентробежного насоса,

- на фиг.2 приведен разрез по А-А,

- на фиг.3 схема разгрузки осевых сил вала и промежуточного вала,

- на фиг.4 приведена схема разгрузки осевой силы, действующей на внутренний вал.

Шнекоцентробежный насос (фиг.1 и 2) содержит вал 1, который выполнен пустотелым. На валу 1 установлено центробежное рабочее колесо 2. Центробежное рабочее колесо 2 содержит ступицу 3, лопасти 4, переднюю стенку 5 и полости 6 между лопастями 4 и передней стенкой 5. Вал 1 установлен на основном подшипнике 7 в корпусе 8. Промежуточный вал 9 проходит внутри ступицы 3 и установлен внутри нее, на радиальном и упорном внутренних подшипниках 10 и 11 соответственно. Внутри промежуточного вала 9 установлен с зазором внутренний вал 12, который установлен внутри промежуточного вала 9 на радиальном и упорном внутренних подшипниках 13 и 14 соответственно. В качестве радиального внутреннего подшипник 13 применен подшипник скольжения.

С одной стороны (со стороны входа в центробежное рабочее колесо 2) на внутреннем валу 12 установлен первый шнек 15. На противоположном конце внутреннего вала 12 закреплено рабочее колесо 16 первой гидротурбины 17, рядом с которым внутри вала 1 установлен сопловой аппарат 18 первой гидротурбины 17. На промежуточном валу 9 на переднем конце (со стороны входа в насос) установлен второй шнек 19, а на противоположном конце закреплено рабочее колесо 20 второй гидротурбины 21, рядом с которой установлен сопловой аппарат 22 второй гидротурбины 21. Внутри вала 1 и возможно частично внутри ступицы 3 выполнены передняя полость 23, средняя полость 24 и задняя полость 25. Вторая гидротурбина 21 установлена внутри передней полости 23, выполненной в ступице 3.

К корпусу 5 подстыкованы входной корпус 26, имеющий полость 27 и выходной корпус 28, имеющий полость 29. Между корпусом 8 и центробежным рабочим колесом 2 выполнено переднее уплотнение 30. Со стороны заднего торца центробежного колеса 2 на его ступице 3 выполнены заднее уплотнение 31 и под ним - разгрузочная полость 32. В ступице 3 центробежного колеса 2 выполнены отверстия 33, соединяющие переднюю полость 23 с полостью 6 внутри центробежного рабочего колеса 2.

Между задней полостью 25 и средней полостью 24 установлено рабочее колесо 16 первой гидротурбины, а между средней полостью 24 и передней полостью 23 установлена вторая гидротурбина 21. При этом внутренний упорный подшипник 14 установлен внутри соплового аппарата 22 второй гидротурбины 21. Такая компоновка позволит разгрузить осевые силы промежуточного вала 9 и внутреннего вала 12 и обеспечить смазку всех подшипников. Внутри внутреннего вала 12 выполнено осевое несквозное отверстие 34.

На первом шнеке 15 может быть выполнен бандаж 35 с уплотнениями 36. Входной корпус 26 в этом случае необходимо изготовить цилиндрическим, это уменьшит перетекание перекачиваемого продукта из-за разности давлений на входе и выходе первого шнека 15. Второй шнек 19 следует выполнить без бандажа, чтобы уменьшить загромождение тракта на входе в центробежное рабочее колесо 2, но внутри центробежного рабочего колеса 2 необходимо предусмотреть цилиндрическую проточку 37. Между шнеками 15 и 19 выполнена полость 38. Подшипник 1 установлен в заднем корпусе 39 и уплотнен уплотнением 40, с образование полости 41 между ними.

Полость 41 соединена с выходом насоса 29 каналом 42, в котором целесообразно установить калиброванный жиклер 43. В валу 1 выполнены радиальные отверстия 44, выходящие с одной стороны в полость 41, а с другой - в заднюю полость 25. Кроме того, в валу 1 выполнены радиальные отверстия 45, соединяющие разгрузочную полость 32 со средней полостью 24.

На внутреннем валу 12 могут быть выполнены радиальные отверстия 46, выходящие внутрь несквозного осевого отверстия и сообщающие его с зазором между валами 9 и 12.

Кроме того, на валу 1 установлена втулка 47, упирающаяся в основной подшипник 7 со стороны, противоположной входу, стопорное кольцо 48, фиксирующее основной подшипник 7 в корпусе 39, стопорное кольцо 49, фиксирующее сопловой аппарат 18 внутри вала 1.

При включении привода (не показан) раскручивается вал 1 с центробежным рабочим колесом 2. Внутри центробежного рабочего колеса 2 и на выходе из него, т.е. в полости 27 повышается давление перекачиваемого продукта и его часть (5%…7%) через заднее уплотнение 31 поступает в разгрузочную полость 32 и далее через отверстия 42 - в заднюю полость 25, потом через сопловой аппарат 18 первой гидротурбины 17, рабочее колесо 16 первой гидротурбины 17 в среднюю полость 24, далее - на сопловой аппарат 22 второй гидротурбины 21, рабочее колесо 20 первой гидротурбины 21 в переднюю полость 23 и через отверстия 33 - в полость 6 центробежного рабочего колеса 2. Внутренний вал 9 с первым шнеком 15 раскручивается. Раскручивается промежуточный вал 6 со вторым шнеком 19. Шнеки и 15 и 19 значительно повышают давление на входе в центробежное рабочее колесо 2, тем самым предотвращая кавитацию на ее входе.

Из-за пониженных оборотов самих шнеков 15 и 19 кавитация на их входных кромках также исключается. Первый шнек 15 повышает давление на между шнеками 15 и 19, создавая благоприятные условия с точки зрения предотвращение кавитации на входе во второй шнек 19. Перепуск подогретого перекачиваемого продукта на входах в шнеки 15 и 19 и на вход в центробежное рабочее колесо 2 отсутствует. С учетом того, что первый шнек 15 вращается в 3…5 раз медленнее, чем центробежное рабочее колесо 2, на его входе кавитация исключена. Второй шнек 19 вращается еще медленнее, в 2…3 раза медленнее, чем центробежное рабочее колесо 2, что также благоприятно сказывается на кавитационных качествах насоса в целом. Утечки перекачиваемого продукта, которые прошли через заднее уплотнение 31, используются для смазки всех подшипников, в первую очередь основного подшипника 7, имеющего самые большие габариты, и для привода рабочих колес 16 и 20 двух гидротурбин 17 и 21. Это благоприятно сказывается на экономичности насоса. Кроме того, утечки перекачиваемого продукта, которые прошли через гидротурбины 17 и 21, возвращаются через отверстия 33 (с калиброванными жиклерами 43) внутрь центробежного рабочее колеса, т.е. в полость 6. После входа утечек в полость 6 эти утечки, несмотря на относительно высокую температуру, не вызывают ухудшение кавитационных свойств насоса в целом, так как вводятся в область относительно высокого давления. Это позволяет повысить кпд шнекоцентробежного насоса.

Часть утечек перекачиваемого продукта из задней полости 25 поступает в осевое несквозное отверстие 34 и через радиальные отверстия 44 подается в зазор между внутренним валом 12 и промежуточным валом 9 и используется для смазки подшипников 13 и 14. Утечки перекачиваемого продукта, которые прошли через подшипники 13 и 14, возвращаются внутрь центробежного рабочего колеса 2.

Разгрузка осевых сил валов 1, 9 и 12 обеспечивает на всех режимах действие осевых сил небольшой величины в одну сторону. В данном примере в сторону входа в насос. (фиг.3 и 4).

На фиг.3 приведена схема разгрузки осевых сил вала 1 - (Roc1) и промежуточного вала 9 - (Roc2). Осевая сила Roc1 от вала 1 через втулку 47 передается на подшипник 1 и далее на стопорное кольцо 48. Осевая сила Roc2 передается с соплового аппарата 20 на упорный подшипник 11 и далее - на ступицу 3.

Разгрузка осевой силы Roc3 внутреннего вала 12 приведена на фиг.4. Осевая сила передается через рабочее колесо 16 первой гидротурбины 17 на внутренний упорный подшипник 14 и далее через сопловой аппарат 22 на стопорное кольцо 49.

Применение изобретения позволило:

1. Значительно улучшить кавитационные свойства насоса за счет применения двух шнеков, уменьшения скоростей вращения двух шнеков, разной скорости вращения шнеков, которая обеспечивается двумя гидротурбинами.

2. Обеспечить разгрузку осевых сил всех валов, в том числе внутреннего и промежуточного валов.

3. Спроектировать насос очень большой мощности за счет повышения частоты вращения центробежного рабочего колеса насоса до предельно допустимых по прочности.

4. Предотвратить срыв потока перекачиваемого компонента в насосе вследствие кавитации на его входе за счет очень низкой скорости вращения первого шнека и относительно низкой скорости вращения второго шнека.

5. Создать шнекоцентробежный насос с минимальным весом и габаритами при большом напоре и производительности.

6. Использовать все утечки перекачиваемого продукта через заднее уплотнение для смазки всех подшипников и привода двух гидротурбин и полностью устранить утечки перекачиваемого продукта (жидкости) в дренаж, повысив его объемный кпд.

7. Увеличить кпд насоса за счет устранения утечек продукта в дренаж и их использования для привода гидротурбины.

Изобретение относится к насосостроению. Насос содержит корпуса, центробежное рабочее колесо 2 со ступицей 3, установленное на валу 1, шнек 15. Вал 1 установлен в основном подшипнике 7, защищенном уплотнением 40 с образованием между ними полости 41. Внутри ступицы 3 на подшипниках 10, 11 установлен с образованием зазора промежуточный вал 9, внутри него - на подшипниках 4, 13 с образованием зазора внутренний вал 12, имеющий осевое несквозное отверстие 34. На конце вала 12 со стороны входа установлен шнек 15, на противоположном конце закреплено рабочее колесо 16 гидротурбины 17, установленное внутри вала 1. На валу 9 со стороны входа между шнеком 15 и колесом 2 установлен шнек 19, на другом конце - колесо 20 гидротурбины 21. На колесе 2 выполнено уплотнение 31, под которым выполнена разгрузочная полость 32. Вал 1 выполнен пустотелым с передней, средней и задней полостями 23-25. Между полостями 24, 25 установлена гидротурбина 17, между полостями 23, 24 - гидротурбина 21. Подшипник 4 установлен внутри соплового аппарата 22 гидротурбины 21. Разгрузочная полость 32 соединена отверстием 45 в валу 1 с полостью 24. Полость 41 соединена каналом 42 с выходом насоса и с полостью 25. В ступице 3 выполнены отверстия 33, соединяющие полость 23 с полостью 6 колеса 2. Изобретение направлено на улучшение кавитационных свойств насоса и обеспечение разгрузки осевых сил внутреннего и промежуточного валов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Шнекоцентробежный насос, содержащий корпуса, центробежное рабочее колесо со ступицей, установленное на валу, который установлен в основном подшипнике, защищенном уплотнением с образованием между ними полости, и шнек, отличающийся тем, что внутри ступицы на радиальном и упорном промежуточных подшипниках установлен с образованием зазора промежуточный вал, а внутри него на радиальном и упорном внутренних подшипниках с образованием зазора установлен внутренний вал, имеющий осевое несквозное отверстие, на конце внутреннего вала со стороны входа в насос установлен первый шнек, на противоположном конце внутреннего вала закреплено рабочее колесо первой гидротурбины, которое установлено внутри вала, на промежуточном валу со стороны входа между первым шнеком и центробежным рабочим колесом установлен второй шнек, на другом конце промежуточного вала установлено рабочее колесо второй гидротурбины, на центробежном рабочем колесе выполнено заднее уплотнение, под которым выполнена разгрузочная полость, вал выполнен пустотелым, содержащим переднюю, среднюю и заднюю полости, между средней и задней полостями установлена первая гидротурбина, между средней и передней полостями - вторая гидротурбина, причем внутренний упорный подшипник установлен внутри соплового аппарата второй гидротурбины, разгрузочная полость соединена отверстием, выполненном в валу со средней полостью, полость между основным подшипником и уплотнением с одной стороны соединена каналом с выходом насоса, а с другой с задней полостью, в ступице выполнены сквозные отверстия, соединяющие переднюю полость с полостью центробежного рабочего колеса.

2. Шнекоцентробежный насос по п.1, отличающийся тем, что на внутреннем валу выполнены радиальные отверстия, сообщающие осевое несквозное осевое отверстие с зазором между внутренним и промежуточным валами.

3. Шнекоцентробежный насос по п.1, отличающийся тем, что в канале, сообщающем выход из насоса с полостью между подшипником и уплотнением, установлен калиброванный жиклер.

4. Шнекоцентробежный насос по п.1, отличающийся тем, что шнеки выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны.